WO2025190843A1 - Kolbenkompressor - Google Patents

Kolbenkompressor

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WO2025190843A1
WO2025190843A1 PCT/EP2025/056416 EP2025056416W WO2025190843A1 WO 2025190843 A1 WO2025190843 A1 WO 2025190843A1 EP 2025056416 W EP2025056416 W EP 2025056416W WO 2025190843 A1 WO2025190843 A1 WO 2025190843A1
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membrane
piston
chamber
channel
fluid
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PCT/EP2025/056416
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English (en)
French (fr)
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Frederic Strauss
Achim Koehler
Lars Konrad
Marco Lamm
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B39/041—Measures to avoid lubricant contaminating the pumped fluid sealing for a reciprocating rod
    • F04B39/048—Sealing between piston and carter being provided by a diaphragm

Definitions

  • the present invention relates to a piston compressor according to the preamble of claim 1 and a method for operating a piston compressor according to the preamble of claim 12.
  • Piston compressors are used for a wide variety of technical applications to compress gases.
  • a piston performs an oscillating motion.
  • the piston is mounted on a cylinder.
  • An inlet valve is used to introduce the gas into the compression chamber, and an outlet valve is used to discharge the gas from the compression chamber.
  • the compression chamber is defined at an end opposite the piston by a surface of a cylinder head.
  • the inlet valve and the outlet valve are generally integrated into the cylinder head.
  • the oscillating motion of the piston is achieved by means of a mechanism.
  • the mechanism is designed, for example, as a crank drive with a crankshaft and a connecting rod, or as a roller shoe with a roller and a drive shaft with at least one cam.
  • the mechanism is arranged in a lubrication chamber.
  • the lubrication chamber is supplied with a lubricant, such as lubricating oil, to lubricate the moving components of the mechanism.
  • a lubricant such as lubricating oil
  • the mechanism is driven, for example, by an electric motor.
  • the piston performs an oscillating movement between a top and bottom dead center, and the difference in the compression volume between the top and bottom dead centers of the piston defines the stroke volume.
  • the dead volume of the compression chamber is the volume of the compression chamber at the top dead center of the piston.
  • EP 0 541 482 B1 discloses a piston compressor for oil-free compression of gases, comprising at least one cylinder and a piston guided therein, which is provided with at least one slotted, so-called captured piston ring accommodated in an annular groove on the piston, which, with its circumferential surface facing away from the inner surface of the cylinder, defines a space of the annular groove acted upon by the pressure of the gas in the compression chamber of the cylinder and which, starting from this circumferential surface, has two radial, mutually parallel boundary surfaces, of which the surface facing the compression chamber extends over a part of the radial ring width, wherein the piston ring is guided in a sliding manner with its two parallel boundary surfaces on corresponding surfaces of the annular groove, wherein the remaining surface of the piston ring facing the compression chamber, starting from the circumferential surface facing the inner surface of the cylinder, is designed as a wedge surface, which extends at an angle of 5 to 15° to a line parallel to the boundary surface facing the compression chamber to to this boundary surface
  • DE 2020699 A1 discloses a plunger compressor with single-stage or multi-stage design of the pistons and/or cylinders, wherein at least one bellows is arranged as a membrane between each piston and the crankcase.
  • the bellows divides a cylinder chamber (the space beneath the piston) into a wet chamber (the interior of the diaphragm) and a dry chamber (the exterior of the diaphragm).
  • Piston compressor for compressing gases, comprising a cylinder, a piston which is mounted in the cylinder, a cylinder chamber and the cylinder chamber is divided by the piston into a first cylinder sub-chamber as a compression chamber for compressing the gas and into a second cylinder sub-chamber, an inlet valve for the compression chamber, an outlet valve for the compression chamber, a mechanism with which the piston is in mechanical operative connection for an oscillating movement of the piston, a lubricating chamber in which the mechanism is at least partially arranged and the mechanism can be lubricated with a lubricant in the lubricating chamber, a diaphragm and with the diaphragm the lubricating chamber is separated from the compression chamber in a fluid-tight manner and the diaphragm arranged in the second cylinder sub-chamber divides the second cylinder sub-chamber into a diaphragm interior and a diaphragm exterior, wherein the piston compressor comprises a pressure compensation device with a channel
  • a second cylinder space is a space between the piston and the mechanism and/or lubrication chamber, so that the second cylinder space is preferably partially delimited by the cylinder.
  • the second cylinder space is at least partially delimited by the cylinder.
  • the piston compressor comprises a connecting channel and the membrane outer space is fluidly connected to the connecting channel with an inlet channel of the inlet valve, in particular a feed container of the gas to be compressed, in order to reduce the pressure of the fluid in the diaphragm outer space to the pressure in the inlet channel of the inlet valve. Due to this fluid-conducting connection between the diaphragm outer space and the inlet channel of the inlet valve, the pressure in the diaphragm outer space and in the inlet channel of the inlet valve is essentially the same during operation, in particular with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.
  • volume changes in the diaphragm outer space due to the movements of the piston can also be compensated for by introducing and/or discharging the gas to be compressed into and/or from the diaphragm outer space.
  • the gas to be compressed is essentially arranged in the diaphragm outer space, in particular to at least 80%, 90% or 95% as a volume percent and/or mass percent, so that even in the event of leaks in the piston rings between the piston and the piston guide, no substances from the diaphragm outer space that could contaminate the gas to be compressed can enter the compression chamber. If the membrane outer space is filled with ambient air, for example, the gas to be compressed could be contaminated with the ambient air, which is harmful, for example, as hydrogen, and thus become unusable.
  • a first channel for introducing the compensating fluid into the membrane interior and a second channel for introducing and/or discharging the compensating fluid into and/or out of the membrane interior are formed for the membrane interior.
  • the piston compressor comprises a conveying device and, with the conveying device, in particular a compressor, the compensating fluid, in particular air, can be introduced into the membrane interior through the first channel.
  • the compensating fluid can be introduced into the membrane interior through the first channel with the conveying device during operation of the piston compressor, in particular continuously.
  • the piston compressor comprises an intermediate container and the second channel opens into the intermediate container.
  • the compensating fluid and preferably lubricant can be conducted through the second channel.
  • an excess of the compensating fluid introduced into the membrane interior can be discharged from the membrane interior through the second channel and introduced into the intermediate container.
  • the piston compressor comprises an actuator and with the actuator the compensating fluid in the intermediate container can be discharged depending on the pressure in the membrane outer space in order to achieve a substantially identical pressure in the intermediate container and in the membrane outer space during operation, in particular with a deviation of less than 30%, 20% or 10%.
  • the volume flow of the compensating fluid and optional lubricant discharged from the intermediate container by the actuator is thus controlled and/or regulated depending on the pressure in the membrane outer space and/or in the connecting channel and/or in the inlet channel of the inlet valve and/or in the feed container as the storage container for the gas to be compressed in order to achieve a substantially identical pressure in the intermediate container and in the membrane outer space, so that a substantially identical pressure exists in the membrane inner space and in the membrane outer space due to the fluid-conducting connection between the intermediate container and the membrane inner space.
  • the actuator is a valve, in particular a servo valve, which is fluidly connected via a control channel to the inlet channel of the inlet valve, in particular to the supply container of the gas to be compressed, in order to control the actuator with the pressure of the gas to be compressed in the inlet channel of the inlet valve.
  • the actuator is preferably controlled by changing the flow cross-sectional area for the compensating fluid and/or the lubricant, in particular by means of a movement of a control piston.
  • the piston compressor comprises a discharge channel and a collecting container, and the fluid discharged from the actuator, in particular compensating fluid and/or lubricant, can be introduced into the collecting container through the discharge channel.
  • a method according to the invention for operating a piston compressor for compressing gases comprising the steps of: a cylinder chamber is divided by a piston into a first cylinder sub-chamber as a compression chamber for compressing the gas and into a second cylinder sub-chamber, introducing a gas to be compressed into the compression chamber through an inlet valve, compressing the introduced gas in the compression chamber with a piston by the piston performing a reciprocating movement to reduce the volume of the compression chamber, discharging the gas compressing in the compression chamber from the compression chamber through an outlet valve, with a mechanism that is in mechanical operative connection with the piston, an oscillating movement of the piston is carried out, with lubricant in a lubricating chamber in which the mechanism is at least partially arranged, the mechanism is lubricated with the lubricant, the
  • a compensating fluid is introduced into the membrane interior through a first channel for introducing a compensating fluid, in particular continuously and/or steadily, and an excess of the fluid introduced into the membrane interior through the first channel is discharged from the membrane interior through a second channel, in particular continuously and/or steadily.
  • the volume flow of the fluid conducted through the second channel is controlled and/or regulated as a compensating fluid and/or lubricant, so that a substantially identical pressure, in particular with a deviation of less than 30%, 20% or 10%, is maintained in the
  • the fluid is introduced into the membrane interior and the membrane exterior.
  • the fluid passed through the second channel is introduced into the membrane interior and/or discharged from the membrane interior.
  • the membrane outer space is fluidly connected to an inlet channel of the inlet valve, in particular a feed container of the gas to be compressed, by a connecting channel, so that the pressure of the fluid in the membrane outer space substantially corresponds, in particular with a deviation of less than 30%, 20% or 10%, to the pressure in the inlet channel of the inlet valve by the gas to be compressed being introduced and/or discharged through the connecting channel into the membrane outer space.
  • the volume flow of the compensating fluid and/or lubricant conducted through the second channel is controlled and/or regulated by controlling and/or regulating the pressure of the compensating fluid and/or lubricant in the intermediate container.
  • the pressure of the compensating fluid and/or lubricant in the intermediate container is controlled and/or regulated so that the pressure in the membrane interior substantially corresponds to the pressure in the membrane exterior, by means of an actuator, in particular a servo valve, controlling and/or regulating the volume flow of the compensating fluid and/or lubricant discharged from the intermediate container as a function of the pressure in the inlet channel of the inlet valve and/or the pressure in the membrane exterior and/or the pressure of the gas to be compressed in the feed container.
  • the volume flow of the compensating fluid and/or lubricant discharged from the intermediate container is expediently controlled and/or regulated by controlling and/or regulating the flow cross-sectional area for the compensating fluid and/or lubricant in the actuator.
  • the actuator is fluidly connected to an inlet channel of the inlet valve, in particular a supply container of the gas to be compressed, by means of a control channel.
  • the membrane's outer space has no fluid-conducting connection to the ambient air. The membrane's outer space is thus sealed from the environment.
  • the membrane interior is formed radially inside the membrane and the membrane exterior is formed outside the membrane.
  • the number of folds of the bellows is greater than 5, 10, 30, 50, 100 or 200.
  • the method described in this patent application is carried out with a piston compressor described in this patent application.
  • the mechanism in particular the piston rod, is arranged at least partially in the membrane interior.
  • the membrane interior is fluidically connected to the lubrication chamber.
  • the membrane is designed as a bellows for practical purposes.
  • the membrane in particular the bellows, is attached to the remaining piston compressor directly or indirectly with at least one sealing means and/or fastening means, in particular at least one material connection and/or at least one clamping connection and/or at least one sealing ring and/or at least one fastening ring, in a fluid-tight manner, in order to prevent penetration of the lubricant from the lubrication chamber into the at least one compression chamber.
  • the remaining compressor is connected to a cylinder housing and/or a cylinder head and/or a housing for the mechanism and/or a flange plate and/or the piston.
  • the diaphragm in particular the bellows, is indirectly fastened to the remaining piston compressor by at least one sealing ring.
  • the sealing ring is preferably made of metal and/or plastic.
  • a sealing ring made of metal and plastic is, for example, fastened with one metal side to the remaining piston compressor, preferably the piston, made of metal by a welded connection, and is fastened with another side of the plastic sealing ring to the plastic diaphragm by a welded connection.
  • the at least one sealing means and/or the at least one fastening means in particular the at least one sealing ring and/or the at least one fastening ring and/or the at least one material connection, is completely formed in the circumferential direction.
  • the membrane interior in particular with the membrane, is sealed fluid-tight with respect to the membrane exterior, so that no compensating fluid and optional lubricant can be conducted from the membrane interior into the membrane exterior.
  • the second cylinder subspace is divided by the membrane, in particular exclusively, in the radial direction with respect to the longitudinal axis of the cylinder into the membrane interior and the membrane exterior.
  • the membrane in particular the bellows, is arranged at least partially, in particular completely, between the piston and the mechanism in the direction of a longitudinal axis of the cylinder.
  • the membrane in particular the bellows, is substantially cylindrical in shape, in particular in the region within the at least one cylinder.
  • the piston is mechanically connected to the mechanism via a piston rod.
  • the membrane in particular the bellows, is fastened directly or indirectly in a materially bonded manner, in particular with at least one welded connection, as a sealing means and/or fastening means.
  • the piston stroke between the top and bottom dead center of the piston is less than 30%, 10%, 5%, or 3% of the extension of the diaphragm, in particular of the bellows, relevant for the stroke movement in the direction of the longitudinal axis of the cylinder.
  • the mechanical stress on the diaphragm at the extension relevant for the stroke movement is thus low during the piston stroke movement, so that the at least one diaphragm has a long service life.
  • the dead volume of the compression chamber is less than 10%, 5%, 3%, or 2% of the displacement volume of the compression chamber.
  • the piston compressor can thus achieve a high pressure of the gas to be compressed with a short piston stroke using the mechanism with a shaft having at least one cam and one roller.
  • the cylinder conveniently includes a cylinder head.
  • the roller comprises a cylindrical roller with a central bore, and a bearing pin is arranged in the central bore.
  • An annular gap is formed between the cylindrical roller and the bearing pin, and this annular gap is lubricated with the lubricant.
  • the axial ends of the bearing pin are mounted on the roller shoe, for example, with a plain bearing.
  • the material-to-material connection is designed as a welded connection and/or an adhesive connection.
  • the at least one welded joint is produced by laser welding.
  • a welded joint produced by laser welding can, due to the structural properties of the welded joint, for example the diameter of the weld seam and/or geometry of the Weld seam on the components welded together can be easily distinguished from welded joints produced in other ways.
  • the areal extent of the membrane is greater than 5 times, 10 times, 20 times, or 30 times the thickness of the membrane. The areal extent of the membrane is thus significantly greater than the thickness of the membrane.
  • the membrane is made of metal and/or plastic.
  • the plastic of the membrane is an elastomer.
  • the membrane is flexible in order to be able to absorb the stroke movements of the piston.
  • the membrane is made of several layers, in particular layers of different materials such as metal and/or plastic.
  • One layer for example a thin layer of a metal, e.g. an aluminum foil, reduces the permeation of substances through the membrane.
  • the membrane has a very small permeation coefficient, in particular for lubricants.
  • Q P * F * t * Ap/d.
  • Q is the amount of gas or vapor that permeates through a layer of area F with thickness d in time t when the pressure difference of the permeant in front of and behind the layer is Ap.
  • the gas permeability of the membrane for oxygen in cm 3 /m 2 *d*bar is preferably less than 30, 10, 1 or 0.1.
  • the gas permeability for hydrogen in cm 3 /m 2 *d*bar of the membrane is preferably less than 50, 10, 1 or 0.2.
  • the cylinder has a longitudinal axis.
  • the longitudinal axis of the cylinder corresponds to the direction of movement of the piston mounted in the cylinder.
  • the mechanism comprises a shaft with at least one cam, and the at least one piston is indirectly supported by a roller shoe and a roller on the shaft with the at least one cam.
  • a shaft with at least one cam is expediently an eccentric shaft.
  • the mechanism is formed by a crankshaft and a connecting rod as a piston rod.
  • the piston compressor includes an electric motor to drive the piston compressor.
  • the electric motor drives the drive shaft with cams and/or the crankshaft.
  • the pressure that can be generated by the piston compressor is in the range of 100 bar to 1000 bar.
  • Fig. 1 shows a cross section of a piston compressor for compressing a gas in a first embodiment
  • Fig. 2 shows a section A-A according to Fig. 1 of a roller with roller shoe and a drive shaft
  • Fig. 3 shows a cross section of the piston compressor for compressing a gas in a second embodiment
  • Fig. 4 shows a highly simplified cross-section of the piston compressor similar to the second embodiment according to Fig. 3 with a pressure compensation device.
  • Fig. 1 shows a cross-section of a piston compressor 1 for compressing gases in a first exemplary embodiment.
  • the piston compressor 1 is used to compress gases, e.g., hydrogen or air, under high pressure.
  • the pressure that can be generated by the piston compressor 1, for example, is in a range between 100 and 1000 bar.
  • the piston compressor 1 has a drive shaft 2 with two cams 3, which rotate about a rotational axis 26.
  • the drive shaft 2 is driven by an electric motor (not shown).
  • the rotational axis 26 lies in the plane of the drawing in Fig. 1 and is perpendicular to the plane of the drawing in Fig. 2.
  • a piston 5 is mounted in a cylinder 6 on a piston guide 7, which is formed by a cylinder housing 8. Fully circumferential annular grooves 15 are formed on a radial outer side of the piston 5.
  • a piston ring 16 is arranged in each of the annular grooves 15.
  • a compression chamber 29 is delimited by the cylinder housing 8 with the cylinder head 17 and the piston 5.
  • the end 18 of the cylinder head 17 is the part of the surface of the cylinder head 17 that delimits the compression chamber 29 and does not function and/or is not designed as a cylinder 6.
  • An inlet channel 22 with an inlet valve 19 and an outlet channel 24 with an outlet valve 20 open into the compression chamber 29.
  • the gas flows into the compression chamber 29 through the inlet channel 22 with an inlet opening 21, and the gas flows out of the compression chamber 29 again under high pressure through the outlet channel 24 with an outlet opening 23.
  • the inlet valve 19, e.g., a check valve is designed such that only gas can flow into the compression chamber 29, and the outlet valve 20, e.g., a check valve, is designed such that only gas can flow out of the compression chamber 29.
  • the volume of the compression chamber 29 is changed due to an oscillating stroke movement of the piston 5.
  • the piston 5 is supported indirectly by a piston rod 14 on the drive shaft 2.
  • a roller shoe 9 with a roller 10 is attached to the end of the piston rod 14.
  • the roller 10 can perform a rotational movement, the axis of rotation 25 of which lies in the plane of the drawing according to Fig. 1 and is perpendicular to the plane of the drawing in Fig. 2.
  • the drive shaft 2 with the at least one cam 3 has a shaft rolling surface 4, and the roller 10 has a roller rolling surface 11.
  • the roller running surface 11 of the roller 10 rolls on the shaft rolling surface 4 of the drive shaft 2 at a contact surface 12 with the two cams 3.
  • the roller shoe 9 is mounted as a plain bearing in a roller shoe bearing formed by the cylinder housing 8.
  • the roller shoe 9 and the piston 5 thus jointly perform an oscillating stroke movement.
  • the roller 10 is mounted in the roller shoe 9 with a plain bearing 13.
  • the roller shoe 9 with the roller 10 and the drive shaft 2 with the cam 3 thus function as a mechanism 40 for generating the oscillating movement of the piston 5.
  • the intake valve 19 and the exhaust valve 20 are installed or integrated into the cylinder head 17.
  • the cylinder head 17 is a component of the cylinder 6 or the cylinder housing 8.
  • the cylinder head 17 is fastened to the cylinder 6 and thus also to the cylinder housing 8 by means of fixing elements 38 in the form of screws 39.
  • a portion of the surface 18 of the cylinder head 17 forms a surface 18 or end 18 which delimits the compression chamber 29.
  • the intake valve 19 comprises a valve piston 30, an elastic element 35 in the form of a spring 36, and a support element 37 for the spring 36. In a closed position of the valve piston 30, the valve piston 30 rests in a fluid-tight manner on a valve sealing seat 32 which extends completely in the tangential direction (Fig. 1).
  • the exhaust valve 20 similarly comprises a valve piston 31 for the exhaust valve 20, the elastic element 35 as the spring 36, and the support element 37 for the spring 36 (Fig. 1).
  • the spring 36 of the exhaust valve 20 rests on a valve sealing seat 33 in the closed position of the exhaust valve 20.
  • the valve sealing seat 32 for the intake valve 19 and the valve sealing seat 33 for the exhaust valve 20 are formed as correspondingly shaped geometries on the cylinder head 17.
  • the intake valve 19 and the exhaust valve 20 with the valve pistons 30, 31 are pneumatically actuated.
  • the inlet valve 19 is opened and the outlet valve 20 is closed during the increase in the volume of the compression chamber 29 and vice versa during the stroke movement of the piston 5 during the reduction in the volume of the compression chamber 29.
  • the piston 5 is mounted on the cylinder 6 and performs an oscillating translational movement in the direction of a longitudinal axis 41 of the cylinder 6.
  • the drive shaft 2 with the cam 3 and the roller 10 with the roller shoe 9 forms the mechanism 40 for the oscillating movement of the piston 5.
  • the mechanism 40 is arranged in a lubrication chamber 44 and the lubrication chamber 44 is surrounded by a partially shown housing 45 for the mechanism 40 and for the lubrication chamber 44.
  • the mechanism 40 is lubricated with a lubricant, for example, lubricating oil or fuel.
  • the lubricant is necessary due to the design of the bearings of the moving components as a plain bearing.
  • the piston compressor 1 compresses, for example, hydrogen for a fuel cell or air or oxygen for breathing in the compression chamber 29.
  • the gas to be compressed must therefore not be contaminated with the lubricant from the lubrication chamber 44, even not in very small quantities.
  • the bearing of the radial outer side of the piston 5 on the cylinder 6 with the piston rings 16 does not allow for complete hermetic separation of the lubrication chamber 44 from the compression chamber 29 containing the gas to be compressed.
  • the lubrication chamber 44 is hermetically separated and sealed from the compression chamber 29 in a completely fluid-tight manner by a diaphragm 34 acting as a bellows 34.
  • the cylinder chamber 49 is divided by the piston 5 into a first cylinder subchamber 50, as the compression chamber 29, and a second cylinder subchamber 51.
  • the diaphragm 34 divides the second cylinder subspace 51 in a fluid-tight manner in the radial direction 71 into a diaphragm interior 52 and a diaphragm exterior 53.
  • a radial direction 71 is perpendicular to the longitudinal axis 41 of the cylinder 6.
  • An axial direction 70 is parallel to the longitudinal axis 41 of the cylinder 6.
  • a circumferential direction 72 or tangential direction 72 is aligned in the circumferential direction or tangential to the piston 5 or the piston rod 14.
  • the bellows 34 as the diaphragm 34 is made of metal and/or plastic. The plastic is in particular an elastomer. The areal extent of the diaphragm 34 is substantially greater than the thickness of the diaphragm 34.
  • An annular flange plate 43 is arranged between the cylinder housing 8 and a housing 45 for the mechanism 40 in the direction of a longitudinal axis 41 of the cylinder 6.
  • a lower end portion of the bellows 34, as the diaphragm 34, is secured between the cylinder housing 8 and the flange plate 43 with a compressive force in a clamped connection.
  • the flange plate 43 is screwed to the housing 45 for the mechanism 40 with fixing elements 38 as screws 39. Due to this pre-tensioning of the lower end portion of the diaphragm 34 between the cylinder housing 8 and the housing 45 for the mechanism 40, a force-fitting sealing means 42 is formed. Due to the Given the structural geometry of the piston compressor 1, without the sealing means 42, a lubricant would flow along the diaphragm 34 between the diaphragm 34 and the flange plate 43 and be discharged into the environment.
  • the fastening means 47 is designed as a material-to-material connection, in particular a welded connection and/or an adhesive connection.
  • the fastening means 47 is designed to extend completely circumferentially in the tangential direction 72 between the upper end region of the diaphragm 34 and the piston 5.
  • the diaphragm 34 is additionally formed between the upper end of the piston rod 14 and the piston 5.
  • the diaphragm 34 also comprises a disk- or plate-shaped region with an extension 48 essentially in the direction of the longitudinal axis 41, and this region is also partially arranged between the piston rod 14 and the piston 5.
  • This disc-shaped or plate-shaped region of the diaphragm 34 adapts to the underside of the geometry of the piston 5 due to its deformability and bendability and therefore has curvatures and/or corners in this region.
  • the relevant extension 48 of the bellows 34 in the direction of the longitudinal axis 41 i.e. the region of the diaphragm 34 which absorbs the stroke movements of the piston 5 between the top and bottom dead center, is substantially greater than the stroke height of the piston 5 than the difference between the top and bottom dead center of the piston 5.
  • the extension 48 is, for example, 10 cm and the stroke height of the piston 5 is 0.9 cm. In Fig. 1, the extension 48 and the stroke height of the piston 5 are not drawn to scale for graphic reasons.
  • the mechanical stress for deformation of the diaphragm 34 is low, because only a small amount of deformation occurs per unit length of the extension 48.
  • the diaphragm 34 can therefore be designed not only as a bellows 34 at this relevant area with the extension 48, but also as a simple diaphragm without folding. Due to this low deformation of the diaphragm 34 at this relevant area with the extension 48, the diaphragm 34 has a service life that corresponds at least to the service life of the piston compressor 1.
  • Fig. 3 shows a second embodiment of the piston compressor 1.
  • the membrane 34 is in the second embodiment according to Fig. 3 is formed in one piece in a similar manner to the first embodiment, but without the disc-shaped or plate-shaped region of the diaphragm 34 between the essentially cylinder jacket-shaped region of the bellows 34 with an extension 48 essentially in the direction of the longitudinal axis 41 of the cylinder 6.
  • the bellows 34 is fastened in a fluid-tight manner at an upper end indirectly with a sealing ring 46 as a fastening ring 46 at the lower end of the piston 5 in an area with the annular grooves 15.
  • the diaphragm 34 is connected in a fluid-tight manner at an upper end with the sealing means 42 as the fastening means 47 to a lower end of the sealing ring 46.
  • the sealing means 42 and the fastening means 47 between the sealing ring 46 and the diaphragm 34 are formed by a material-to-material connection, in particular a welded connection and/or an adhesive connection.
  • the welded connection is produced, for example, by laser welding.
  • an upper end of the sealing ring 46 is fixed to the lower end of the piston 5.
  • the sealing means 42 and the fastening means 47 between the sealing ring 46 and the piston 5 are formed by a material-to-material connection, in particular a welded connection and/or an adhesive connection.
  • the sealing ring 46 as the fastening ring 46 and the sealing means 42 as well as the fastening means 47 are formed to extend completely around the circumferential direction 72.
  • the material-to-material connection between the seal 46 and the fastening ring 46 thus also seals the diaphragm interior 52 with lubricating oil from the diaphragm exterior 53 in a fluid-tight manner.
  • the piston rod 14 is mounted on a bearing bush with a plain bearing, and due to a gap between the bearing bush and the piston rod 14, lubricating oil flows from the lubricating chamber 44 into the diaphragm interior 52.
  • the bearing bush is fastened to the housing 45.
  • Figs. 1 to 3 Two exemplary embodiments of the piston compressor 1 are shown in Figs. 1 to 3. These exemplary embodiments according to Figs. 1 to 3, which are described above, serve to fundamentally explain the functioning of the piston compressor 1 with the bellows 34 as the diaphragm 34.
  • the exemplary embodiments of the piston compressor 1 shown in Figs. 1 to 3 additionally have a pressure compensation device 54; however, the pressure compensation device 54 and, for example, also the channels 55, 56 are not shown in Figs. 1 to 3.
  • the pressure compensation device 54 is shown in a greatly simplified exemplary embodiment of the piston compressor 1 in Fig. 4.
  • the cylinder 6 delimits a cylinder chamber 49.
  • the cylinder chamber 49 also includes a space between the piston 5 and the mechanism 40 and/or the lubrication chamber 44.
  • the cylinder chamber 49 is divided by the piston 5 into a first cylinder sub-chamber 50 and a first cylinder sub-chamber 51.
  • the first cylinder sub-chamber 50 forms the compression chamber 29.
  • a space outside the piston guide 7, for example a space between the piston 5 and the mechanism 40 and/or the lubrication chamber 44, is also considered to be the cylinder chamber 49 and thus also the first cylinder sub-chamber 50 and the second cylinder sub-chamber 51.
  • the diaphragm 34 as the bellows 34, divides the second cylinder sub-chamber 51 into a diaphragm interior 52 and a diaphragm exterior 53.
  • the piston rod 14 is arranged within the diaphragm interior 53.
  • the piston rod 14 is part of the mechanism 40, and the lubrication chamber 44 with the mechanism 40 is not completely fluid-tightly sealed from the piston rod 14, so that a fluid-conducting connection exists between the lubrication chamber 44 and the diaphragm interior 52.
  • the diaphragm interior 52 is thus supplied with lubricant, in particular lubricating oil.
  • the diaphragm exterior 53 is fluidly connected to the inlet channel 22 of the inlet channel 14 via a connecting channel 57 and thus also fluidly connected to an inlet tank 58 containing the gas to be compressed.
  • the pressure in the membrane outer space 53 essentially corresponds to the pressure in the inlet channel 22 and/or the inlet container 58 as a function of time during operation.
  • the pressure in the compression chamber 29 essentially corresponds to the pressure in the membrane outer chamber 53.
  • the pressure in the compression chamber 29 is slightly higher than in the membrane outer chamber 53.
  • the volume of the diaphragm outer space 53 changes during the stroke movement of the piston 5, and also during the stroke movements with the change in the volume of the diaphragm outer space 53, the pressure of the compensating fluid as the gas to be compressed in the diaphragm outer space 53 essentially corresponds to the pressure in the inlet channel 22, because the connecting channel 57 is sufficiently dimensioned for the introduction and discharge of the compensating fluid into and from the diaphragm outer space 53.
  • the channels 55, 56 are each formed by a bore in the cylinder housing 8 and a line.
  • the first channel 55 serves to continuously introduce a compensating fluid into the membrane interior 52.
  • the second channel 56 serves to introduce and/or discharge the compensating fluid into the membrane interior 52 and/or from the membrane interior 52. Depending on the time, however, either only the compensating fluid is discharged through the second channel 56 or is introduced into the membrane interior 52 through the second channel 56.
  • the compensating fluid introduced through the first channel 55 is essentially discharged as excess from the diaphragm interior 52 through the second channel 56, except for leaks and the escape of the compensating fluid as gas, i.e., air, into the lubrication chamber. Due to the change in the volume of the diaphragm interior 52 during the stroke movement of the piston 5, compensating fluid can also flow into the diaphragm interior 52 through the second channel 56.
  • the compensating fluid passing through the second channel 56 is introduced into or discharged from an intermediate container 61.
  • the intermediate container 61 functions thus acts as a buffer reservoir to equalize the volume in the membrane interior 52. Due to the fluid-conducting connection of the membrane interior 52 with the lubrication chamber 44, lubricant, for example lubricating oil, is collected and enriched in the membrane interior 52 and this lubricant is entrained and transported by the compensating fluid introduced into the first channel 55 through the second channel 56, so that a mixture of compensating fluid and lubricant is introduced into the intermediate container 61.
  • lubricant for example lubricating oil
  • the volume of the intermediate reservoir 61 is sufficiently dimensioned; for example, the volume of the intermediate reservoir 61 is greater than 2 times, 3 times, 5 times, or 10 times the maximum volume of the diaphragm interior 52 at the top dead center of the piston 5.
  • the liquid lubricating oil settles at the bottom of the intermediate reservoir 61, and the air is above the liquid lubricating oil.
  • the pressure in the intermediate reservoir 61 is essentially the same as in the diaphragm interior 52.
  • a discharge channel 62 which opens into the intermediate container 61 at the lower end, is fluidically connected to a collecting container 66.
  • the collecting container 66 has a vent valve 67, and the ambient pressure prevails within the collecting container 66 due to the fluid connection with the vent valve 67 to the environment, with an ambient pressure of approximately 1 bar.
  • An actuator 63 in the form of a valve 64, in particular a proportional valve or servo valve, is installed in the discharge channel 62.
  • a control channel 65 connects the actuator 63 in a fluid-conducting manner to the inlet container 58 of the gas to be compressed and thus also in a fluid-conducting manner to the inlet channel 22 of the inlet valve 19 and, due to the connecting channel 57, also in a fluid-conducting manner to the membrane outer space 53.
  • the lubricant i.e. the lubricating oil, which has accumulated in the intermediate container 61, is introduced into the collecting container 66 through the discharge channel 62.
  • small quantities of compensating fluid can also be introduced into the collecting container 66 through the discharge channel 62, for example, if essentially no lubricant has settled in the intermediate container 61.
  • the lubricating oil introduced into the collecting container 66 through the discharge channel 62 under ambient pressure is then a lubricant channel 68 and a lubricant delivery device 69, for example, a lubricant pump, back into the lubrication chamber 44.
  • a lubricant delivery device 69 for example, a lubricant pump
  • the lubricant which is introduced along the piston rod 14 into the diaphragm interior 52, can thus be reused for the lubrication of the mechanism 40.
  • the actuator 63 has a control piston (not shown), and depending on the position of the control piston, lubricant and optionally compensating fluid are introduced from the intermediate reservoir 61 into the collecting reservoir 66. The position of the control piston changes the available flow cross-sectional area.
  • the movement of the control piston (not shown) of the actuator 63 is controlled by the control piston being mechanically connected to a control diaphragm (not shown), and the gas to be compressed exerting a compressive force on the control diaphragm through the control channel 65 due to the action of one side of the control diaphragm with the gas to be compressed from the control channel 65.
  • the gas to be compressed from the control channel 65 thus exerts a compressive force on the control piston in a first direction.
  • an elastic element (not shown), for example a spring, exerts a compressive force on the control piston in a second direction, which is opposite to the first direction.
  • the control diaphragm and the elastic element thus form an actuator for moving the control piston depending on the pressure in the control channel 65.
  • the actuator for moving the control piston can also be embodied by a linear motor, and the linear motor is controlled by the pressure of the gas to be compressed, which is detected by a pressure sensor (not shown), for example at the inlet channel 22 and/or at the connecting channel 57 and/or in the diaphragm outer space 53 and/or at the inlet tank 58.
  • a pressure sensor for example at the inlet channel 22 and/or at the connecting channel 57 and/or in the diaphragm outer space 53 and/or at the inlet tank 58.
  • the linear motor is controlled and/or regulated by a control and/or regulation unit (not shown).
  • the excess of the compensating fluid introduced into the diaphragm interior 52, as well as the lubricant, is introduced into the intermediate tank 61 depending on the pressure in the diaphragm interior 52 and the variable volume of the diaphragm interior 52.
  • the actuator 63 is designed to ensure that the required amount of lubricant and optionally compensating fluid is passed through the discharge channel 62, so that the pressure in the intermediate container 61 essentially corresponds to the pressure in the membrane outer space 53 as a function of time.
  • the actuator 63 Depending on the time and thus also depending on the pressure in the control channel 65, ie also depending on the pressure in the inlet channel 22 and in the membrane outer space 53, a variable volume flow and/or mass flow is introduced through the discharge channel 62 into the collecting container 66 in such a way that the pressure in the membrane inner space 52 is substantially identical to the pressure in the membrane outer space 53.
  • the pressure compensation device 54 controls and/or regulates the introduction and discharge of the compensating fluid into the membrane interior 52 such that the pressure of the compensating fluid in the membrane interior 52 with lubricant essentially corresponds to the pressure of the gas to be compressed in the membrane exterior 53.
  • the mechanical stresses on the membrane 34 and the bellows 34 are thus low, so that the bellows 34 can advantageously be dimensioned with a small wall thickness and, in addition, lower stresses, in particular residual stresses, occur within the membrane 34.
  • the membrane 34 has a long service life and low manufacturing costs.

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Abstract

Kolbenkompressor (1) zum Verdichten von Gasen, umfassend einen Kolben (5), einen Zylinderraum (49) und der Zylinderraum (49) von dem Kolben (5) in einen ersten Zylinderteilraum (50) als Kompressionsraum (29) zum Verdichten des Gases und in einen zweiten Zylinderteilraum (51) unterteilt ist, einen Mechanismus (40) mit dem der Kolben (5) in mechanischer Wirkverbindung steht für eine oszillierende Bewegung des Kolbens (5), einen Schmierraum (44) in dem der Mechanismus (40) wenigstens teilweise angeordnet ist und der Mechanismus (40) in dem Schmierraum (44) mit einem Schmierstoff schmierbar ist, eine Membran (34) und mit der Membran (34) der Schmierraum (44) von dem Kompressionsraum (29) fluiddicht abgetrennt ist und die in dem zweiten Zylinderteilraum (51) angeordnete Membran (34) den zweiten Zylinderteilraum (51) in einen Membraninnenraum (52) und einen Membranaußenraum (53) unterteilt, wobei der Kolbenkompressor (1) eine Druckausgleichsvorrichtung (54) umfasst mit einem Kanal (55, 56, 57) zum Einleiten und/oder Ausleiten eines Ausgleichsfluides in den und/oder aus dem Membraninnenraum (52) in Abhängigkeit von dem Druck in dem Membranaußenraum (53) und/oder umgekehrt in den und/oder aus dem Membranaußenraum (53) in Abhängigkeit von dem Druck in dem Membraninnenraum (52), um einen im Wesentlichen identischen Druck in dem Membraninnenraum (52) und Membranaußenraum (53) zu erreichen.

Description

Beschreibung
Titel
Kolbenkompressor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Kolbenkompressors gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.
Stand der Technik
Kolbenkompressoren werden für die verschiedensten technischen Anwendungen eingesetzt, um Gase zu verdichten. In einem Kolbenkompressor führt ein Kolben eine oszillierende Bewegung aus. Der Kolben ist an einem Zylinder gelagert. Ein Einlassventil dient zum Einleiten des Gases in den Kompressionsraum und ein Auslassventil dient zum Ausleiten des Gases aus dem Kompressionsraum. Der Kompressionsraum ist an einem zu dem Kolben gegenüberliegenden Ende von einer Oberfläche eines Zylinderkopfes begrenzt. Das Einlassventil und das Auslassventil sind im Allgemeinen in dem Zylinderkopf integriert. Die oszillierende Bewegung des Kolbens wird mit Hilfe eines Mechanismus ausgeführt. Der Mechanismus ist beispielsweise als ein Kurbeltrieb mit einer Kurbelwelle und einer Pleuelstange ausgebildet oder von einem Rollenschuh mit einer Laufrolle und einer Antriebswelle mit wenigstens einem Nocken gebildet. Der Mechanismus ist in einem Schmierraum angeordnet. Der Schmierraum ist mit einem Schmierstoff, beispielsweise Schmieröl, beaufschlagt zur Schmierung der beweglichen Komponenten des Mechanismus. Der Mechanismus ist beispielsweise von einem Elektromotor angetrieben. Der Kolben führt die oszillierende Bewegung zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt aus und das Differenzvolumen des Kompressionsraumes zwischen dem oberen und unteren Totpunkt des Kolbens definiert das Hubvolumen. Das Totvolumen des Kompressionsraumes ist das Volumen des Kompressionsraumes am oberen Totpunkt des Kolbens. Für bestimmte technische Anwendungen zum Verdichten von Gasen ist es notwendig, verdichtete Gase mit einer hohen Reinheit zu liefern. Die hermetische Trennung zwischen einerseits dem Zylinder und andererseits dem Kolben mit den Kolbenringen als Spaltdichtung ist nicht vollständig, sodass dadurch Schmierstoff von dem Schmierraum in den Kompressionsraum des Kolbenkompressors gelangt und damit das verdichtete Gas mit Schmierstoff kontaminiert wäre. Um diese nicht gewünschte und auszuschließende Kontamination des verdichteten Gases zu verhindern ist es bereits bekannt, zwischen dem Kompressionsraum und/oder dem Raum mit dem Kolben einerseits und dem Schmierraum andererseits einen zusätzlichen Raum auszubilden und diesen beispielsweise mit einer Absaugung vorzusehen. Dies ist jedoch in nachteiliger Weise sehr aufwendig, sodass dadurch der Kolbenkompressor in der Herstellung teuer ist und einen großen Bauraum aufweist. Darüber hinaus sind auch Membrankompressoren bekannt, die jedoch pro Volumeneinheit des Bauraumes ein kleines Fördervolumen aufweisen.
Die EP 0 541 482 B1 zeigt einen Kolbenkompressor zum ölfreien Verdichten von Gasen mit mindestens einem Zylinder und einem darin geführten Kolben, der mit mindestens einem geschlitzten, in einer Ringnut am Kolben untergebrachten, sogenannten gefangenen Kolbenring versehen ist, der mit seiner der Innenfläche des Zylinders abgewandten Umfangsfläche einen vom Druck des Gases im Kompressionsraum des Zylinders beaufschlagten Raum der Ringnut begrenzt und der, ausgehend von dieser Umfangsfläche, zwei radiale, zueinander parallele Begrenzungsflächen aufweist, von denen sich die dem Kompressionsraum zugewendete Fläche über einen Teil der radialen Ringbreite erstreckt, wobei der Kolbenring mit seinen beiden parallelen Begrenzungsflächen an entsprechenden Flächen der Ringnut gleitend geführt ist, wobei die dem Kompressionsraum zugewendete Restfläche des Kolbenrings, von der der Zylinderinnenfläche zugewendeten Umfangsfläche ausgehend, als Keilfläche ausgebildet ist, die sich unter einem Winkel von 5 bis 15° zu einer Parallelen zu der dem Kompressionsraum zugewendeten Begrenzungsfläche bis zu dieser Begrenzungsfläche erstreckt.
Die DE 2020699 A1 offenbart einen Tauchkolbenkompressor mit ein- oder mehrstufiger Ausführung der Kolben und/oder der Zylinder, wobei mindestens ein Faltenbalg als Membran zwischen jedem Kolben und dem Kurbelkasten angeordnet ist. Der Faltenbalg unterteilt einen Zylinderraum als Raum unter dem Kolben in einen Nassraum als Membraninnenraum und einen Trockenraum als Membranaußenraum.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßer Kolbenkompressor zum Verdichten von Gasen, umfassend einen Zylinder, einen Kolben, der in dem Zylinder gelagert ist, einen Zylinderraum und der Zylinderraum von dem Kolben in einen ersten Zylinderteilraum als Kompressionsraum zum Verdichten des Gases und in einen zweiten Zylinderteilraum unterteilt ist, ein Einlassventil für den Kompressionsraum, ein Auslassventil für den Kompressionsraum, einen Mechanismus mit dem der Kolben in mechanischer Wirkverbindung steht für eine oszillierende Bewegung des Kolbens, einen Schmierraum in dem der Mechanismus wenigstens teilweise angeordnet ist und der Mechanismus in dem Schmierraum mit einem Schmierstoff schmierbar ist, eine Membran und mit der Membran der Schmierraum von dem Kompressionsraum fluiddicht abgetrennt ist und die in dem zweiten Zylinderteilraum angeordnete Membran den zweiten Zylinderteilraum in einen Membraninnenraum und einen Membranaußenraum unterteilt, wobei der Kolbenkompressor eine Druckausgleichsvorrichtung umfasst mit einem Kanal zum Einleiten und/oder Ausleiten eines Ausgleichsfluides in den und/oder aus dem Membraninnenraum in Abhängigkeit von dem Druck in dem Membranaußenraum oder umgekehrt in den und/oder aus dem Membranaußenraum in Abhängigkeit von dem Druck in dem Membraninnenraum, um einen im Wesentlichen identischen Druck in dem Membraninnenraum und Membranaußenraum zu erreichen. In einer weiteren Variante ist ein zweiter Zylinderraum ein Raum zwischen dem Kolben und dem Mechanismus und/oder Schmierraum, so dass der zweite Zylinderraum vorzugsweise teilweise von dem Zylinder begrenzt ist. Vorzugsweise ist der zweite Zylinderraum wenigstens teilweise von dem Zylinder begrenzt.
In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst der Kolbenkompressor einen Verbindungskanal und der Membranaußenraum ist mit dem Verbindungskanal mit einem Einlasskanal des Einlassventils, insbesondere einem Zulaufbehälter des zu verdichtenden Gases, fluidleitend verbunden, um den Druck des Fluides in dem Membranaußenraum an den Druck in dem Einlasskanal des Einlassventils anzugleichen. Aufgrund dieser fluidleitenden Verbindung zwischen dem Membranaußenraum und dem Einlasskanal des Einlassventils ist in dem Membranaußenraum und in dem Einlasskanal des Einlassventils während des Betriebs der im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30 %, 20 % oder 10 %, gleiche Druck vorhanden. Auch Volumenänderungen des Membranaußenraum aufgrund der Bewegungen des Kolbens können durch das Ein- und/oder Ausleiten des zu verdichtenden Gases in und/oder aus dem Membranaußenraum ausgeglichen werden. In dem Membranaußenraum ist im Wesentlichen, insbesondere zu wenigstens 80 %, 90 % oder 95 % als Volumenprozent und/oder Massenprozent, das zu verdichtende Gas angeordnet, sodass auch bei Undichtigkeiten an den Kolbenringen zwischen dem Kolben und der Kolbenführung keine Stoffe aus dem Membranaußenraum in den Kompressionsraum gelangen, welche das zu verdichtende Gas kontaminieren könnten. Bei einer Befüllung des Membranaußenraum beispielsweise mit Umgebungsluft könnte das zu verdichtende Gas als beispielsweise Wasserstoff schädigend mit der Umgebungsluft kontaminiert und damit unbrauchbar werden.
In einer weiteren Variante ist für den Membraninnenraum ein erster Kanal zum Einleiten des Ausgleichsfluides in den Membraninnenraum und ein zweiter Kanal zum Einleiten und/oder Ausleiten des Ausgleichsfluides in und/oder aus dem Membraninnenraum ausgebildet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung umfasst der Kolbenkompressor eine Fördereinrichtung und mit der Fördereinrichtung, insbesondere einem Kompressor, durch den ersten Kanal das Ausgleichsfluid, insbesondere Luft, in den Membraninnenraum einleitbar.
In einer ergänzenden Variante ist das Ausgleichsfluid während des Betriebes des Kolbenkompressors, insbesondere kontinuierlich, mit der Fördereinrichtung durch den ersten Kanal in den Membraninnenraum einleitbar.
Vorzugsweise umfasst der Kolbenkompressor einen Zwischenbehälter und der zweite Kanal mündet in den Zwischenbehälter. In einer zusätzlichen Ausführungsform ist durch den zweiten Kanal das Ausgleichsfluid und vorzugsweise Schmierstoff leitbar.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Überschuss des in den Membraninnenraum eingeleiteten Ausgleichsfluides durch den zweiten Kanal aus dem Membraninnenraum ausleitbar und in den Zwischenbehälter einleitbar.
In einer ergänzenden Variante umfasst der Kolbenkompressor ein Stellorgan und mit dem Stellorgan das Ausgleichsfluid in dem Zwischenbehälter in Abhängigkeit von dem Druck in dem Membranaußenraum dahingehend ausleitbar ist, um in dem Zwischenbehälter und in dem Membranaußenraum einen im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30 %, 20 % oder 10 %, identischen Druck zu erreichen während des Betriebs. Der Volumenstrom des mit dem Stellorgan aus dem Zwischenbehälter ausgeleiteten Ausgleichsfluides und optionalen Schmierstoff wird somit in Abhängigkeit von dem Druck in dem Membranaußenraum und/oder in dem Verbindungskanal und/oder in dem Einlasskanal des Einlassventils und/oder in dem Zulaufbehälter als dem Vorratsbehälter für das zu verdichtende Gas gesteuert und/oder geregelt, um in dem Zwischenbehälter und in dem Membranaußenraum einen im Wesentlichen identischen Druck zu erreichen, so in dem Membraninnenraum und in dem Membranaußenraum ein im Wesentlichen identischer Druck vorhanden ist aufgrund der fluidleitenden Verbindung zwischen dem Zwischenbehälter und dem Membraninnenraum.
Insbesondere ist das Stellorgan ein Ventil, insbesondere Servoventil, welches mit einem Steuerkanal mit dem Einlasskanal des Einlassventils, insbesondere dem Zulaufbehälter des zu verdichtenden Gases, fluidleitend verbunden ist, um mit dem Druck des zu verdichtenden Gases in dem Einlasskanal des Einlassventils das Stellorgan zu steuern. Vorzugsweise wird das Stellorgan gesteuert indem die Strömungsquerschnittsfläche für das Ausgleichsfluid und/oder den Schmierstoff verändert wird, insbesondere mittels einer Bewegung eines Steuerkolbens.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Kolbenkompressor einen Ableitungskanal und einen Sammelbehälter und das aus dem Stellorgan ausgeleitete Fluid, insbesondere Ausgleichsfluid und/oder Schmierstoff, durch den Ableitungskanal in den Sammelbehälter einleitbar ist. Erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Kolbenkompressor zum Verdichten von Gasen mit den Schritten: ein Zylinderraum von einem Kolben in einen ersten Zylinderteilraum als Kompressionsraum zum Verdichten des Gases und in einen zweiten Zylinderteilraum unterteilt wird, Einleiten eines zu verdichtenden Gases durch ein Einlassventil in den Kompressionsraum, Verdichten des eingeleiteten Gases in dem Kompressionsraum mit einem Kolben indem der Kolben eine Hubbewegung zur Verkleinerung des Volumens des Kompressionsraumes ausführt, Ausleiten des in dem Kompressionsraum verdichtenden Gases aus dem Kompressionsraum durch ein Auslassventil, mit einem Mechanismus, der mit dem Kolben in mechanischer Wirkverbindung steht, eine oszillierende Bewegung des Kolbens ausgeführt wird, mit Schmierstoff in einem Schmierraum, in dem der Mechanismus wenigstens teilweise angeordnet ist, der Mechanismus mit dem Schmierstoff geschmiert wird, mit einer Membran der Schmierraum von dem Kompressionsraum fluiddicht abgetrennt wird und von der Membran der zweite Zylinderteilraum in einen Membraninnenraum und einen Membranaußenraum unterteilt wird, wobei in den Membraninnenraum ein Ausgleichsfluid in Abhängigkeit von dem Druck des Fluides in dem Membranaußenraum eingeleitet und/oder ausgeleitet wird und/oder umgekehrt in den Membranaußenraum ein Ausgleichsfluid in Abhängigkeit von dem Druck des Fluides in dem Membraninnenraum eingeleitet und/oder ausgeleitet wird, um einen im Wesentlichen identischen Druck in dem Membraninnenraum und Membranaußenraum zu erreichen, wobei das Ausgleichsfluid vorzugsweise mit einer Fördervorrichtung gefördert wird.
In einer weiteren Variante wird in den Membraninnenraum durch einen ersten Kanal zum Einleiten eines Ausgleichsfluides ein Ausgleichsfluid, insbesondere kontinuierlich und/oder stetig, eingeleitet und ein Überschuss des in den Membraninnenraum durch den ersten Kanal eingeleiteten Fluides durch einen zweiten Kanal aus dem Membraninnenraum, insbesondere kontinuierlich und/oder stetig, ausgeleitet wird.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird der Volumenstrom des durch den zweiten Kanal geleiteten Fluides als Ausgleichsfluid und/oder Schmierstoff gesteuert und/oder geregelt, so dass ein im Wesentlicher, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, identischer Druck in dem Membraninnenraum und Membranaußenraum vorliegt. Das durch den zweiten Kanal geleitet Fluid wird in den Membraninnenraum eingeleitet und/oder aus dem Membraninnenraum ausgeleitet.
Vorzugsweise ist der Membranaußenraum mit einem Verbindungskanal mit einem Einlasskanal des Einlassventils, insbesondere einem Zulaufbehälter des zu verdichtenden Gases, fluidleitend verbunden, so dass der Druck des Fluides in dem Membranaußenraum im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, dem Druck in dem Einlasskanal des Einlassventils entspricht indem das zu verdichtende Gas durch den Verbindungskanal in den Membranaußenraum eingeleitet und/oder ausgeleitet wird.
In einer ergänzenden Variante wird der Volumenstrom des durch den zweiten Kanal geleiteten Ausgleichsfluides und/oder Schmierstoffes gesteuert und/oder geregelt indem der Druck des Ausgleichsfluides und/oder Schmierstoffes in dem Zwischenbehälter gesteuert und/oder geregelt wird.
In einer ergänzenden Variante wird der Druck des Ausgleichsfluides und/oder Schmierstoffes in dem Zwischenbehälter gesteuert und/oder geregelt, so dass der Druck in dem Membraninnenraum im Wesentlichen dem Druck in dem Membranaußenraum entspricht, indem mit einem Stellorgan, insbesondere Ser- voventil, der Volumenstrom des aus dem Zwischenbehälter ausgeleiteten Ausgleichsfluides und/oder Schmierstoffes gesteuert und/oder geregelt wird in Abhängigkeit von dem Druck in dem Einlasskanal des Einlassventils und/oder dem Druck in dem Membranaußenraum und/oder dem Druck des zu verdichtenden Gases in dem Zulaufbehälter.
Zweckmäßig wird der Volumenstrom des aus dem Zwischenbehälter ausgeleiteten Ausgleichsfluides und/oder Schmierstoffes gesteuert und/oder geregelt indem die Strömungsquerschnittsfläche für das Ausgleichsfluid und/oder Schmierstoff in dem Stellorgan gesteuert und/oder geregelt wird.
Vorzugsweise ist das Stellorgan mit einem Steuerkanal fluidleitend mit einem Einlasskanal des Einlassventils, insbesondere einem Zulaufbehälter des zu verdichtenden Gases, fluidleitend verbunden. Vorzugsweise weist der Membranaußenraum keine fluidleitende Verbindung zur Umgebungsluft auf. Der Membranaußenraum ist somit bezüglich der Umgebung abgedichtet.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist Membraninnenraum in radialer Richtung innerhalb der Membran ausgebildet und der Membranaußenraum ist außerhalb der Membran ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Zahl der Falten des Faltenbalges größer als 5, 10, 30, 50, 100 oder 200.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Kolbenkompressor ausgeführt.
In einer ergänzenden Variante ist das in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Verfahren mit dem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Kolbenkompressor ausführbar.
In einer weiteren Variante ist der Mechanismus, insbesondere die Kolbenstange, wenigstens teilweise in dem Membraninnenraum angeordnet.
Vorzugsweise ist der Membraninnenraum fluidleitend mit dem Schmierraum verbunden.
Zweckmäßig ist die Membran als Faltenbalg ausgebildet.
In einer zusätzlichen Variante ist die Membran, insbesondere der Faltenbalg, an dem übrigen Kolbenkompressor mittelbar oder unmittelbar mit wenigstens einem Dichtmittel und/oder Befestigungsmittel, insbesondere wenigstens eine stoffschlüssige Verbindung und/oder wenigstens eine Klemmverbindung und/oder wenigstens einem Dichtring und/oder wenigstens einem Befestigungsring, fluiddicht mittelbar und/oder unmittelbar befestigt ist, um ein Eindringen des Schmierstoffes von dem Schmierraum in den wenigstens einen Kompressionsraum zu verhindern. Vorzugsweise ist der übrige Kompressor von einem Zylindergehäuse und/oder einem Zylinderkopf und/oder einem Gehäuse für den Mechanismus und/oder einer Flanschplatte und/oder dem Kolben gebildet. Vorzugsweise ist die Membran, insbesondere der Faltenbalg, an dem übrigen Kolbenkompressor mittelbar mit wenigstens einem Dichtring befestigt. Vorzugsweise ist der Dichtring aus Metall und/oder Kunststoff ausgebildet. Ein Dichtring aus Metall und Kunststoff ist beispielsweise mit einer Seite aus Metall an dem übrigen Kolbenkompressor, vorzugsweise dem Kolben, aus Metall mit einer Schweißverbindung befestigt und an einer anderen Seite des Dichtringes aus Kunststoff mit einer Schweißverbindung an der Membran aus Kunststoff befestigt.
In einer weiteren Variante ist das wenigstens eine Dichtmittel und/oder das wenigstens eine Befestigungsmittel, insbesondere der wenigstens eine Dichtring und/oder der wenigstens eine Befestigungsring und/oder die wenigstens eine stoffschlüssige Verbindung, in Umfangsrichtung vollständig ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Membraninnenraum, insbesondere mit der Membran, fluiddicht bezüglich des Membranaußenraum abgedichtet, sodass kein Ausgleichsfluid und optionalen Schmierstoff von dem Membraninnenraum in den Membranaußenraum leitbar ist.
In einer weiteren Variante ist der zweite Zylinderteilraum von der Membran, insbesondere ausschließlich, in radialer Richtung bezüglich der Längsachse des Zylinders in den Membraninnenraum und den Membranaußenraum unterteilt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die Membran, insbesondere der Faltenbalg, in Richtung einer Längsachse des Zylinders wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, zwischen dem Kolben und dem Mechanismus angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Membran, insbesondere der Faltenbalg, im Wesentlichen zylindermantelförmig ausgebildet ist, insbesondere im Bereich innerhalb des wenigstens einen Zylinders.
In einer ergänzenden Variante steht der Kolben mit einer Kolbenstange mit dem Mechanismus in mechanischer Wirkverbindung.
Zweckmäßig ist zwischen dem Zylinder und dem Mechanismus in Richtung der Längsachse des Zylinders eine Flanschplatte angeordnet. In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist die Membran, insbesondere der Faltenbalg, stoffschlüssig, insbesondere mit wenigstens einer Schweißverbindung, als Dichtmittel und/oder Befestigungsmittel mittelbar oder unmittelbar befestigt.
Vorzugsweise ist die Hubhöhe des Kolbens zwischen dem oberen und unteren Totpunkt des Kolbens kleiner als 30%, 10%, 5% oder 3% der für die Hubbewegung relevanten Ausdehnung der Membran, insbesondere des Faltenbalges, in Richtung der Längsachse des Zylinders. Die mechanische Beanspruchung der Membran an der für die Hubbewegung relevanten Ausdehnung ist damit gering während der Hubbewegung des Kolbens, sodass die wenigstens eine Membran eine große Lebensdauer aufweist.
In einer zusätzlichen Variante ist das Totvolumen des Kompressionsraumes kleiner ist als 10%, 5%, 3% oder 2 % des Hubvolumens des Kompressionsraumes. In vorteilhafte Weise kann der Kolbenkompressor damit einen hohen Druck des zu verdichtenden Gases bei einer kleinen Hubhöhe des Kolbens erreichen mit dem Mechanismus mit einer Welle mit wenigstens einem Nocken und einer Laufrolle.
Zweckmäßig umfasst der Zylinder einen Zylinderkopf.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst die Laufrolle eine zylindermantelförmige Laufrolle mit einer zentrischen Bohrung und in der zentrischen Bohrung ist ein Lagerbolzen angeordnet. Zwischen der zylindermantelförmigen Laufrolle und dem Lagerbolzen ist ein Ringspalt ausgebildet und dieser Ringspalt ist mit dem Schmierstoff geschmiert. Die axialen Enden des Lagerbolzens sind beispielsweise mit einer Gleitlagerung an dem Rollenschuh gelagert.
In einer ergänzenden Variante ist die stoffschlüssige Verbindung als eine Schweißverbindung und/oder eine Klebeverbindung ausgebildet.
Vorzugsweise ist die wenigstens eine Schweißverbindung mit Laserschweißen hergestellt. Eine Schweißverbindung, die mit Laserschweißen hergestellt ist, kann aufgrund der konstruktiven Eigenschaften der Schweißverbindung, beispielsweise des Durchmessers der Schweißnaht und/oder Geometrie der Schweißnaht an den miteinander verschweißten Bauteilen, einfach von anders hergestellten Schweißverbindungen unterschieden werden.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die flächige Ausdehnung der Membran größer als das 5-Fache, 10-Fache, 20-Fache oder 30-Fache der Dicke der Membran. Die flächige Ausdehnung der Membran ist somit wesentlich größer als die Dicke der Membran.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die Membran aus Metall und/oder Kunststoff ausgebildet. Vorzugsweise ist der Kunststoff der Membran als ein Elastomer ausgebildet. Die Membran ist dabei biegbar, um die Hubbewegungen des Kolbens aufnehmen zu können. Vorzugsweise ist die Membran aus mehreren Schichten, insbesondere Schichten aus unterschiedlichen Werkstoffen wie beispielsweise Metall und/oder Kunststoff, ausgebildet. Eine Schicht, beispielsweise eine dünne Schicht aus einem Metall, z.B. eine Aluminiumfolie, reduziert die Permeation von Stoffen durch die Membran. Die Membran weist einen sehr kleinen Permeationskoeffizienten auf, insbesondere für Schmierstoffe. Q = P * F * t * Ap/d. Q ist dabei die Gas- bzw. Dampfmenge, die in der Zeit t durch eine Schicht der Fläche F mit der Dicke d permeiert, wenn der Druckunterschied des Permeenten vor und hinter der Schicht Ap beträgt. Die Gasdurchlässigkeit für Sauerstoff in cm3/m2*d*bar der Membran ist vorzugsweise kleiner als 30, 10, 1 oder 0,1. Die Gasdurchlässigkeit für Wasserstoff in cm3/m2*d*bar der Membran ist vorzugsweise kleiner als 50, 10, 1 oder 0,2.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Zylinder eine Längsachse auf. Die Längsachse des Zylinders entspricht der Bewegungsrichtung des in dem Zylinder gelagerten Kolbens.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Mechanismus eine Welle mit wenigstens einem Nocken und sich der wenigstens eine Kolben mittelbar mit einem Rollenschuh und einer Laufrolle auf der Welle mit dem wenigstens einen Nocken abstützt. Zweckmäßig ist eine Welle mit wenigstens einem Nocken eine Exzenterwelle.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Mechanismus von einer Kurbelwelle und einer Pleuelstange als Kolbenstange gebildet. In einer zusätzlichen Variante umfasst der Kolbenkompressor einen Elektromotor zum Antrieb des Kolbenkompressors. Beispielsweise treibt der Elektromotor die Antriebswelle mit Nocken und/oder die Kurbelwelle an.
Der von dem Kolbenkompressor erzeugbare Druck im Bereich von 100 bar bis 1000 bar liegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt eines Kolbenkompressors zum Verdichten eines Gases in einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 einen Schnitt A-A gemäß Fig. 1 einer Laufrolle mit Rollenschuh und einer Antriebswelle,
Fig. 3 einen Querschnitt des Kolbenkompressors zum Verdichten eines Gases in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 einen stark vereinfachten Querschnitt des Kolbenkompressors ähnlich zu dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 mit einer Druckausgleichsvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
In Fig. 1 ist ein Querschnitt einer Kolbenkompressor 1 zum Verdichten von Gasen in einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Kolbenkompressor 1 dient dazu, Gase, z. B. Wasserstoff oder Luft, unter Hochdruck zu verdichten.
Der von der Kolbenkompressor 1 erzeugbare Druck liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 100 und 1000 bar. Die Kolbenkompressor 1 weist eine Antriebswelle 2 mit zwei Nocken 3 auf, die um eine Rotationsachse 26 eine Rotationsbewegung ausführt. Die Antriebswelle 2 ist von einem nicht darstellten Elektromotor angetrieben. Die Rotationsachse 26 liegt in der Zeichenebene von Fig. 1 und steht senkrecht auf der Zeichenebene von Fig. 2. Ein Kolben 5 ist in einem Zylinder 6 an einer Kolbenführung 7 gelagert, der von einem Zylindergehäuse 8 gebildet ist. An einer radialen Außenseite des Kolbens 5 sind vollständig umlaufende Ringnuten 15 ausgebildet. In den Ringnuten 15 ist je ein Kolbenring 16 angeordnet. Ein Kompressionsraum 29 wird von dem Zylindergehäuse 8 mit Zylinderkopf 17 und dem Kolben 5 begrenzt. Das Ende 18 des Zylinderkopfes 17 ist der Teil der Oberfläche des Zylinderkopfes 17 der den Kompressionsraum 29 begrenzt und nicht als Zylinder 6 fungiert und/oder ausgebildet ist. In den Kompressionsraum 29 mündet ein Einlasskanal 22 mit einem Einlassventil 19 und ein Auslasskanal 24 mit einem Auslassventil 20. Durch den Einlasskanal 22 mit einer Einlassöffnung 21 strömt das Gas in den Kompressionsraum 29 ein und durch den Auslasskanal 24 mit einer Auslassöffnung 23 strömt das Gas unter Hochdruck aus den Kompressionsraum 29 wieder aus. Das Einlassventil 19, z. B. ein Rückschlagventil, ist dahingehend ausgebildet, dass nur Gas in den Kompressionsraum 29 einströmen kann und das Auslassventil 20, z. B. ein Rückschlagventil, ist dahingehend ausgebildet, dass nur Gas aus dem Kompressionsraum 29 ausströmen kann. Das Volumen des Kompressionsraumes 29 wird aufgrund einer oszillierenden Hubbewegung des Kolbens 5 verändert. Der Kolben 5 stützt sich mittelbar mit einer Kolbenstange 14 auf der Antriebswelle 2 ab. Am Ende der Kolbenstange 14 ist ein Rollenschuh 9 mit einer Laufrolle 10 befestigt. Die Laufrolle 10 kann dabei eine Rotationsbewegung ausführen, deren Rotationsachse 25 in der Zeichenebene gemäß Fig. 1 liegt und senkrecht auf der Zeichenebene von Fig. 2 steht. Die Antriebswelle 2 mit dem wenigstens einen Nocken 3 weist eine Wellen-Rollfläche 4 und die Laufrolle 10 eine Rollen-Rollfläche 11 auf.
Die Rollen-Lauffläche 11 der Laufrolle 10 rollt sich auf der Wellen-Rollfläche 4 der Antriebswelle 2 an einer Kontaktfläche 12 mit den beiden Nocken 3 ab. Der Rollenschuh 9 ist in einer von dem Zylindergehäuse 8 gebildeten Rollenschuhlagerung als Gleitlager gelagert. Eine Feder 27 bzw. Spiralfeder 27 als elastisches Element 28, die zwischen dem Zylindergehäuse 8 und dem Rollenschuh 9 eingespannt ist, bringt auf den Rollenschuh 9 eine Druckkraft auf, so dass die Rollen- Rollfläche 11 der Laufrolle 10 in ständigen Kontakt mit der Wellen-Rollfläche 4 der Antriebswelle 2 steht. Der Rollenschuh 9 und der Kolben 5 führen damit gemeinsam eine oszillierende Hubbewegung aus. Die Laufrolle 10 ist mit einer Gleitlagerung 13 in dem Rollenschuh 9 gelagert. Der Rollenschuh 9 mit Laufrolle 10 und die Antriebswelle 2 mit Nocken 3 fungieren damit als Mechanismus 40 zur Erzeugung der oszillierenden Bewegung des Kolbens 5.
Das Einlassventil 19 und das Auslassventil 20 sind in dem Zylinderkopf 17 eingebaut oder integriert. Der Zylinderkopf 17 ist Bestandteil des Zylinders 6 bzw. des Zylindergehäuse 8. Der Zylinderkopf 17 ist mit Fixierungselementen 38 als Schrauben 39 an dem Zylinder 6 und damit auch an dem Zylindergehäuse 8 befestigt. Ein Teil der Oberfläche 18 des Zylinderkopfes 17 bildet eine Oberfläche 18 oder Ende 18, welche den Kompressionsraum 29 begrenzt. Das Einlassventil 19 umfasst einen Ventilkolben 30, ein elastisches Element 35 als eine Feder 36 und ein Auflageelement 37 für die Feder 36. In einer Schließstellung des Ventilkolbens 30 liegt der Ventilkolben 30 auf einem vollständig in tangentialer Richtung umlaufenden Ventildichtsitz 32 fluiddicht auf (Fig. 1). Das Auslassventil 20 umfasst in analoger Weise eine Ventilkolben 31 für das Auslassventil 20, das elastische Element 35 als die Feder 36 und das Auflageelement 37 für die Feder 36 (Fig. 1). Die Feder 36 des Auslassventils 20 liegt auf einem Ventildichtsitz 33 in der Schließstellung des Auslassventils 20 auf. Der Ventildichtsitz 32 für das Einlassventil 19 und der Ventildichtsitz 33 für das Auslassventil 20 sind dabei als entsprechend ausgebildete Geometrien an dem Zylinderkopf 17 ausgebildet. Das Einlassventil 19 und das Auslassventil 20 mit den Ventilkolben 30, 31 sind pneumatische betätigt. Aufgrund der Druckänderung in dem Kompressionsraum 29 während der Hubbewegung des Kolbens 5 wird während der Vergrößerung des Volumens des Kompressionsraumes 29 das Einlassventil 19 geöffnet und das Auslassventil 20 geschlossen und umgekehrt bei der Hubbewegung des Kolbens 5 während der Verkleinerung des Volumens des Kompressionsraumes 29.
Der Kolben 5 ist an dem Zylinder 6 gelagert und führt eine oszillierende Translationsbewegung in Richtung einer Längsachse 41 des Zylinders 6 aus. Die Antriebswelle 2 mit dem Nocken 3 und die Laufrolle 10 mit dem Rollenschuh 9 bildet den Mechanismus 40 für die oszillierende Bewegung des Kolbens 5. Der Mechanismus 40 ist in einem Schmierraum 44 angeordnet und der Schmierraum 44 ist von einem teilweise dargestellten Gehäuse 45 für den Mechanismus 40 und für den Schmierraum 44 begrenzt. In dem Schmierraum 44 wird der Mechanismus 40 mit einem Schmierstoff, beispielsweise Schmieröl oder Kraftstoff, geschmiert. Der Schmierstoff ist notwendig aufgrund der Ausführung der Lagerungen der beweglichen Komponenten als eine Gleitlagerung. Der Kolbenkompressor 1 verdichtet in dem Kompressionsraum 29 beispielsweise Wasserstoff für eine Brennstoffzelle oder Luft bzw. Sauerstoff zur Atmung. Das zu verdichtende Gas darf deshalb nicht mit dem Schmierstoff aus dem Schmierraum 44 kontaminiert sein, auch nicht in sehr geringen Stoffmengen. Die Lagerung der radialen Außenseite des Kolbens 5 an dem Zylinder 6 mit den Kolbenringen 16 ermöglicht keine vollständige hermetische Abtrennung des Schmierraumes 44 von dem Kompressionsraum 29 mit dem zu verdichteten Gas.
Aus diesem Grund ist der Schmierraum 44 mit einer Membrane 34 als einen Faltenbalg 34 hermetisch vollständig fluiddicht von dem Kompressionsraum 29 abgetrennt und abgedichtet. Das Zylinder 6 als das Zylindergehäuse 8 mit Zylinderkopf 17 und das Gehäuse 45 für den Schmierraum 44 begrenzten einen Zylinderraum 49. Der Zylinderraum 49 ist von dem Kolben 5 in einen ersten Zylinderteilraum 50 als dem Kompressionsraum 29 und einen zweiten Zylinderteilraum 51 unterteilt. Die Membran 34 unterteilt den zweiten Zylinderteilraum 51 fluiddicht in radialer Richtung 71 in einen Membraninnenraum 52 und einen Membranaußenraum 53. Eine radiale Richtung 71 ist senkrecht zu der Längsachse 41 des Zylinders 6. Eine axiale Richtung 70 ist parallel zu der Längsachse 41 des Zylinders 6. Eine Umfangsrichtung 72 oder tangentiale Richtung 72 ist in Umfangsrichtung oder tangential zu dem Kolben 5 oder der Kolbenstange 14 ausgerichtet. Der Faltenbalg 34 als die Membran 34 ist aus Metall und/oder Kunststoff ausgebildet. Der Kunststoff ist insbesondere ein Elastomer. Die flächige Ausdehnung der Membran 34 ist wesentlich größer als die Dicke der Membran 34. Zwischen dem Zylindergehäuse 8 und einem Gehäuse 45 für den Mechanismus 40 ist in Richtung einer Längsachse 41 des Zylinders 6 eine ringförmige Flanschplatte 43 angeordnet. Ein unterer Endbereich des Faltenbalges 34 als die Membran 34 ist zwischen dem Zylindergehäuse 8 und der Flanschplatte 43 mit einer Druckkraft kraftschlüssig als Klemmverbindung befestigt. Die Flanschplatte 43 ist mit Fixierungselementen 38 als Schrauben 39 an dem Gehäuse 45 für den Mechanismus 40 festgeschraubt. Aufgrund dieser Vorspannung des unteren Endbereiches der Membran 34 zwischen dem Zylindergehäuse 8 und dem Gehäuse 45 für den Mechanismus 40 ist ein kraftschlüssiges Dichtmittel 42 ausgebildet. Aufgrund der konstruktiven Geometrie des Kolbenkompressors 1 würde ohne das Dichtmittel 42 ein Schmierstoff entlang der Membran 34 zwischen der Membran 34 und der Flanschplatte 43 strömen und in die Umgebung abgeleitet werden. Ein oberer Endbereich der Membran 34 ist mit einem Befestigungsmittel 47 an der Unterseite des Kolbens 5 befestigt. Das Befestigungsmittel 47 ist als eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schweißverbindung und/oder eine Klebeverbindung, ausgebildet. Das Befestigungsmittel 47 ist dabei in tangentialer Richtung 72 vollständig umlaufend zwischen dem oberen Endbereich der Membran 34 und dem Kolben 5 ausgebildet. Die Membran 34 ist zusätzlich zwischen dem oberen Ende der Kolbenstange 14 und dem Kolben 5 ausgebildet. Dabei umfasst die Membran 34 mit einer Ausdehnung 48 im Wesentlichen in Richtung der Längsachse 41 auch einen schreiben- oder plattenförmigen Bereich und dieser Bereich ist teilweise auch zwischen der Kolbenstange 14 und dem Kolben 5 angeordnet. Dieser scheibenförmige oder plattenförmige Bereich der Membran 34 passt sich aufgrund der Verformbarkeit und Biegbarkeit an die Unterseite der Geometrie des Kolbens 5 an und weist deshalb an diesem Bereich Krümmungen und/oder Ecken auf. Die relevante Ausdehnung 48 des Faltenbalges 34 in Richtung der Längsachse 41 , d. h. des Bereiches der Membran 34 welcher die Hubbewegungen des Kolbens 5 zwischen dem oberen und unteren Totpunkt aufnimmt, ist wesentlich größer als die Hubhöhe des Kolbens 5 als die Differenz zwischen dem oberen und unteren Totpunkt des Kolbens 5. Die Ausdehnung 48 beträgt beispielsweise 10 cm und die Hubhöhe des Kolbens 5 beträgt 0,9 cm. In Fig. 1 sind die Ausdehnung 48 und die Hubhöhe des Kolbens 5 aus zeichnerischen Gründen nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Damit ist die mechanische Beanspruchung für die Verformung der Membran 34 gering, weil pro Längeneinheit der Ausdehnung 48 eine geringe Verformung auftritt. Die Membran 34 kann damit an diesem relevanten Bereich mit der Ausdehnung 48 nicht nur als Faltenbalg 34, sondern auch als eine einfache Membran ohne Faltung ausgebildet sein. Aufgrund dieser geringen Verformung der Membran 34 an diesem relevanten Bereich mit der Ausdehnung 48 weist die Membran 34 eine Lebensdauer auf, welcher mindestens der Lebensdauer des Kolbenkompressors 1 entspricht.
In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Kolbenkompressors 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 beschrieben. Die Membran 34 ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 in analoger Weise einteilig ausgebildet wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, jedoch ohne den scheibenförmigen oder plattenförmigen Bereich der Membran 34 zwischen dem im Wesentlichen zylindermantelförmigen Bereich des Faltenbalges 34 mit einer Ausdehnung 48 im Wesentlichen in Richtung der Längsachse 41 des Zylinders 6. Der Faltenbalg 34 ist an einem oberen Ende mittelbar mit einem Dichtring 46 als Befestigungsring 46 am unteren Ende des Kolbens 5 an einem Bereich mit den Ringnuten 15 fluiddicht befestigt. Die Membran 34 ist an einem oberen Ende mit dem Dichtmittel 42 als das Befestigungsmittel 47 fluiddicht mit einem unteren Ende des Dichtringes 46 verbunden. Das Dichtmittel 42 und das Befestigungsmittel 47 zwischen dem Dichtring 46 und der Membran 34 ist von einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere einer Schweißverbindung und/oder einer Klebeverbindung, ausgebildet. Die Schweißverbindung wird beispielsweise mit Laserschweißen hergestellt. In analoger Weise ist ein oberes Ende des Dichtringes 46 mit dem unteren Ende des Kolbens 5 fixiert. Das Dichtmittel 42 und das Befestigungsmittel 47 zwischen dem Dichtring 46 und dem Kolben 5 ist von einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere einer Schweißverbindung und/oder einer Klebeverbindung, ausgebildet. Der Dichtring 46 als der Befestigungsring 46 und das Dichtmittel 42 sowie das Befestigungsmittel 47 sind in Umfangsrichtung 72 vollständig umlaufend ausgebildet. Die stoffschlüssige Verbindung an dem Dichtung 46 und Befestigungsring 46 dichtet damit auch den Membraninnenraum 52 mit Schmieröl von dem Membranaußenraum 53 fluiddicht ab. Die Kolbenstange 14 ist an einer Lagerbüchse mit einer Gleitlagerung gelagert und aufgrund eines Spaltes zwischen der Lagerbüchse und dem Kolbenstange 14 gelangt Schmieröl aus dem Schmierraum 44 in den Membraninnenraum 52. Die Lagerbüchse ist an dem Gehäuse 45 befestigt.
In den Fig. 1 bis 3 sind zwei Ausführungsbeispiele des Kolbenkompressors 1 dargestellt. Diese Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 bis 3, die oben beschriebenen sind, dienen zur grundlegenden Erläuterung der Funktionsweise des Kolbenkompressors 1 mit dem Faltenbalg 34 als der Membran 34. Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele des Kolbenkompressors 1 verfügen zusätzlich über eine Druckausgleichsvorrichtung 54, jedoch sind die Druckausgleichsvorrichtung 54 und beispielsweise auch die Kanäle 55, 56 in Fig. 1 bis 3 nicht dargestellt. Die Druckausgleichsvorrichtung 54 ist in einem stark vereinfachten Ausführungsbeispiel des Kolbenkompressors 1 in Fig. 4 dargestellt. Der Zylinder 6 begrenzt einen Zylinderraum 49. Der Zylinderraum 49 umfasst auch einen Raum zwischen dem Kolben 5 und dem Mechanismus 40 und/oder Schmierraum 44. Der Zylinderraum 49 ist von dem Kolben 5 in einen ersten Zylinderteilraum 50 und in einen ersten Zylinderteilraum 51 unterteilt. Der erste Zylinderteilraum 50 bildet den Kompressionsraum 29. Als Zylinderraum 49 und damit auch als erster Zylinderteilraum 50 und zweiter Zylinderteilraum 51 wird auch ein Raum außerhalb der Kolbenführung 7 betrachtet, beispielsweise ein Raum zwischen dem Kolben 5 und dem Mechanismus 40 und/oder dem Schmierraum 44. Die Membran 34 als der Faltenbalg 34 unterteilt den zweiten Zylinderteilraum 51 in einen Membraninnenraum 52 und in einen Membranaußenraum 53. Die Kolbenstange 14 ist innerhalb des Membraninnenraumes 53 angeordnet. Die Kolbenstange 14 ist Bestandteil des Mechanismus 40 und der Schmierraum 44 mit dem Mechanismus 40 ist nicht vollständig fluiddicht von der Kolbenstange 14 abgedichtet, sodass eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Schmierraum 44 und dem Membraninnenraum 52 besteht. Der Membraninnenraum 52 ist damit mit Schmierstoff, insbesondere Schmieröl, beaufschlagt. Der Membranaußenraum 53 ist mit einem Verbindungskanal 57 mit dem Einlasskanal 22 zu dem Einlasskanal 14 fluidleitend verbunden und damit auch fluidleitend mit einem Zulaufbehälter 58 mit dem zu verdichteten Gas. Aufgrund dieser fluidleitenden Verbindung mit dem Verbindungskanal 57 entspricht der Druck in dem Membranaußenraum 53 in Abhängigkeit von der Zeit während des Betriebs im Wesentlichen dem Druck in dem Einlasskanal 22 und/oder dem Zulaufbehälter 58. Insbesondere in dem Einlasskanal 22 entstehenden Druckschwankungen während des Öffnens oder Schließen des Einlassventils 19 und aufgrund der Verbindung des Verbindungskanal 57 mit dem Einlasskanal 22 werden diese Druckschwankungen mit einer geringen zeitlichen Verzögerung auf den Membranaußenraum 53 übertragen. In vorteilhafter Weise entspricht somit während eines Saughubes des Kolbens 5 zur Vergrößerung des Volumens des Kompressionsraumes 29 der Druck in dem Kompressionsraum 29 im Wesentlichen dem Druck in dem Membranaußenraum 53. Während der Hubbewegung des Kolbens 29 zum Verdichten des Gases in dem Kompressionsraum 29 ist der Druck in dem Kompressionsraum 29 geringfügig größer als in dem Membranaußenraum 53. An den Kolbenringen 16 können zwar geringe Undichtigkeiten auftreten, jedoch entspricht auch während dieser Hubbewegung des Kolbens 5 zum Verdichten des Gases der Druck in dem Membranaußenraum 53 stets im Wesentlichen dem Druck an dem Einlasskanal 22 aufgrund des Verbindungskanal 57, weil das zu verdichtende Gas auch von dem Membranaußenraum 53 durch den Verbindungskanal 57 in den Einlasskanal 22 einströmen kann. Leckagegas, welches von dem Kompressionsraum 29 entlang der Kolbenringen 16 und der Kolbenführung 7 in den Membranaußenraum 53 strömt kann somit durch den Verbindungskanal 57 entweichen. Das Volumen des Membranaußenraum 53 verändert sich während der Hubbewegung des Kolbens 5 und auch während der Hubbewegungen mit der Veränderung des Volumens des Membranaußenraum 53 entspricht der Druck des Ausgleichsfluides als das zu verdichtende Gas in dem Membranaußenraum 53 im Wesentlichen dem Druck in dem Einlasskanal 22, weil der Verbindungskanal 57 ausreichend dimensioniert ist für das Einleiten und Ausleiten des Ausgleichsfluides in und aus dem Membranaußenraum 53.
In den Membraninnenraum 52 mündet ein erster Kanal 55 und ein zweiter Kanal 56. Die Kanäle 55, 56 sind von je einer Bohrung in dem Zylindergehäuse 8 und einer Leitung gebildet. Der erste Kanal 55 dient zum kontinuierlichen Einleiten eines Ausgleichsfluides in den Membraninnenraum 52. Eine Fördervorrichtung 59 als ein Kompressor 60, beispielsweise eine Membranpumpe, fördert ständig Luft aus der Umgebung als Ausgleichsfluid durch den ersten Kanal 55 in den Membraninnenraum 52. Der zweite Kanal 56 dient zum Einleiten und/oder Ausleiten des Ausgleichsfluides in den Membraninnenraum 52 und/oder aus dem Membraninnenraum 52. In Abhängigkeit von der Zeit wird jedoch entweder nur das Ausgleichsfluid durch den zweiten Kanal 56 ausgeleitet oder durch den zweiten Kanal 56 in den Membraninnenraum 52 eingeleitet. Aufgrund der kontinuierlichen Einleitung des Ausgleichsfluides durch den ersten Kanal 55 wird durch den zweiten Kanal 56 im Wesentlichen, abgesehen von Undichtigkeiten und einem Entweichen des Ausgleichsfluides als das Gas, d. h. Luft in den Schmierraum, das durch den ersten Kanal 55 eingeleitete Ausgleichsfluid wieder als Überschuss durch den zweiten Kanal 56 aus dem Membraninnenraum 52 ausgeleitet. Aufgrund der Veränderung des Volumens des Membraninnenraumes 52 während der Hubbewegung des Kolbens 5 kann auch Ausgleichsfluid durch den zweiten Kanal 56 in den Membraninnenraum 52 einströmen.
Das durch den zweiten Kanal 56 durchgeleitete Ausgleichsfluid wird in einen Zwischenbehälter 61 eingeleitet oder ausgeleitet. Der Zwischenbehälter 61 funktio- niert somit als Pufferspeicher zum Ausgleich des Volumens in dem Membraninnenraum 52. Aufgrund der fluidleitenden Verbindung des Membraninnenraumes 52 mit dem Schmierraum 44 wird in dem Membraninnenraum 52 Schmierstoff, beispielsweise Schmieröl, angesammelt und angereichert und dieser Schmierstoff wird von dem in den ersten Kanal 55 eingeleiteten Ausgleichsfluid durch den zweiten Kanal 56 mitgenommen und mittransportiert, sodass in den Zwischenbehälter 61 eine Mischung aus Ausgleichsfluid und Schmierstoff eingeleitet wird. Das Volumen des Zwischenbehälter 61 ist ausreichend dimensioniert, beispielsweise ist das Volumen des Zwischenbehälter 61 größer als das 2-Fache, 3-Fa- che, 5-Fache oder 10-Fache des maximalen Volumens des Membraninnenraumes 52 am oberen Totpunkt des Kolbens 5. Nach dem Einleiten der Mischung aus dem Ausgleichsfluid und dem Schmierstoff, d. h. der Luft aus der Umgebung und dem Schmieröl, setzt sich das flüssige Schmieröl am Bodenbereich des Zwischenbehälter 61 ab und über dem flüssigen Schmieröl ist die Luft. In dem Zwischenbehälter 61 liegt im Wesentlichen der Druck wie in dem Membraninnenraum 52 an.
Ein Ableitungskanal 62, welche am unteren Endbereich in den Zwischenbehälter 61 mündet, ist mit einem Sammelbehälter 66 fluidleitend verbunden. Der Sammelbehälter 66 verfügt über ein Entlüftungsventil 67 und innerhalb des Sammelbehälter 66 liegt im Wesentlichen der Umgebungsdruck an aufgrund der fluidleitenden Verbindung mit dem Entlüftungsventil 67 zu der Umgebung mit dem Umgebungsdruck von ungefähr 1 bar. In dem Ableitungskanal 62 ist ein Stellorgan 63 als ein Ventil 64, insbesondere ein Proportionalventil oder Servoventil, eingebaut. Zusätzlich verbindet ein Steuerkanal 65 das Stellorgan 63 fluidleitend mit dem Zulaufbehälter 58 des zu verdichtenden Gases damit auch fluidleitend mit dem Einlasskanal 22 des Einlassventils 19 und aufgrund des Verbindungska- nales 57 damit auch fluidleitend mit dem Membranaußenraum 53. Durch den Ableitungskanal 62 wird im Wesentlichen der Schmierstoff, d. h. das Schmieröl, welches sich in dem Zwischenbehälter 61 angesammelt hat, in den Sammelbehälter 66 eingeleitet. Unter Umständen können durch den Ableitungskanal 62 auch geringe Mengen an Ausgleichsfluid in den Sammelbehälter 66 eingeleitet werden, beispielsweise wenn im Wesentlichen sich kein Schmierstoff in dem Zwischenbehälter 61 abgesetzt hat. Das durch den Ableitungskanal 62 in den Sammelbehälter 66 unter Umgebungsdruck eingeleitete Schmieröl wird anschließend durch einen Schmierstoffkanal 68 und eine Schmierstofffördereinrichtung 69, beispielsweise eine Schmierstoffpumpe, wieder in den Schmierraum 44 eingeleitet. In vorteilhafter Weise kann damit der Schmierstoff, welcher entlang der Kolbenstange 14 in den Membraninnenraum 52 eingeleitet wird, wieder verwendet werden für die Schmierung des Mechanismus 40. Das Stellorgan 63 weist einen Steuerkolben (nicht dargestellt) auf und in Abhängigkeit von der Position des Steuerkolbens wird Schmierstoff und optional Ausgleichsfluid von dem Zwischenbehälter 61 in den Sammelbehälter 66 eingeleitet. Die Position des Steuerkolbens verändert die zur Verfügung stehende Strömungsquerschnittsfläche. Die Bewegung des Steuerkolbens (nicht dargestellt) des Stellorganes 63 wird dadurch gesteuert, dass der Steuerkolben mechanisch mit einer nicht dargestellten Steuermembran verbunden ist und das zu verdichtende Gas durch den Steuerkanal 65 auf die Steuermembran eine Druckkraft aufbringt aufgrund der Beaufschlagung einer Seite der Steuermembran mit dem zu verdichteten Gas aus dem Steuerkanal 65. Das zu verdichtende Gas aus dem Steuerkanal 65 bringt somit auf den Steuerkolben eine Druckkraft auf in einer ersten Richtung. Zusätzlich bringt eine nicht dargestelltes elastisches Element, beispielsweise eine Feder, auf den Steuerkolbens eine Druckkraft auf in einer zweiten Richtung, welche entgegengesetzt ist zu der ersten Richtung ist. Die Steuermembran und das elastische Element bilden damit einen Aktuator zum Bewegen des Steuerkolbens in Abhängigkeit von dem Druck in dem Steuerkanal 65. Der Aktuator zum Bewegen des Steuerkolbens kann auch von einem Linearmotor ausgebildet sein und der Linearmotor wird gesteuert von dem mit einem nicht dargestellter Drucksensor erfassten Druck des zu verdichtenden Gases, beispielsweise an dem Einlasskanal 22 und/oder an den Verbindungskanal 57 und/oder in dem Membranaußenraum 53 und/oder an dem Zulaufbehälter 58. In Abhängigkeit von dem mit dem Drucksensor erfassten Druck wird der Linearmotor von einer nicht dargestellten Steue- rungs- und/oder Regelungseinheit gesteuert und/oder geregelt. Der Überschuss des in den Membraninnenraum 52 eingeleiteten Ausgleichsfluides sowie der Schmierstoff wird in Abhängigkeit von dem Druck in dem Membraninnenraum 52 als auch dem veränderlichen Volumen des Membraninnenraumes 52 in den Zwischenbehälter 61 eingeleitet. Das Stellorgan 63 mit dem Aktuator ist dahingehend ausgelegt, dass durch den Ableitungskanal 62 diejenige Menge an Schmierstoff und optional Ausgleichsfluid durchgeleitet wird, sodass der Druck in dem Zwischenbehälter 61 im Wesentlichen dem Druck in dem Membranaußenraum 53 in Abhängigkeit von der Zeit entspricht. Mit dem Stellorgan 63 wird somit in Abhängigkeit von der Zeit und damit auch in Abhängigkeit von dem Druck in dem Steuerkanal 65, d. h. damit auch in Abhängigkeit von dem Druck in dem Einlasskanal 22 und in dem Membranaußenraum 53, ein variabler Volumenstrom und/oder Stoffmengenstrom durch den Ableitungskanal 62 in den Sammelbehälter 66 dahingehend eingeleitet, so dass der Druck im dem Membraninnenraum 52 im Wesentlichen identisch ist zu dem Druck in dem Membranaußenraum 53.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Kolbenkompressor 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Kolbenkompressors 1 wesentliche Vorteile verbunden. Mit der Druckausgleichsvorrichtung 54 wird das Einleiten und Ausleiten des Ausgleichsfluides in den Membraninnenraum 52 dahingehend gesteuert und/oder geregelt, dass der Druck des Ausgleichsfluides in dem Membraninnenraum 52 mit Schmierstoff im Wesentlichen dem Druck des zu verdichtenden Gases in dem Membranaußenraum 53 entspricht. Die mechanischen Beanspruchungen der Membran 34 als dem Faltenbalg 34 ist dadurch gering, sodass in vorteilhafter Weise der Faltenbalg 34 in der Wandstärke klein dimensioniert werden kann und außerdem geringere Spannungen, insbesondere Eigenspannungen, innerhalb der Membran 34 auftreten. Die Membran 34 weist bei geringen Herstellungskosten eine lange Lebensdauer auf.

Claims

Ansprüche
1 . Kolbenkompressor (1) zum Verdichten von Gasen, umfassend einen Zylinder (6), einen Kolben (5), der in dem Zylinder gelagert (6) ist, einen Zylinderraum (49) und der Zylinderraum (49) von dem Kolben (5) in einen ersten Zylinderteilraum (50) als Kompressionsraum (29) zum Verdichten des Gases und in einen zweiten Zylinderteilraum (51) unterteilt ist, ein Einlassventil (19) für den Kompressionsraum (29), ein Auslassventil (20) für den Kompressionsraum (29), einen Mechanismus (40) mit dem der Kolben (5) in mechanischer Wirkverbindung steht für eine oszillierende Bewegung des Kolbens (5), einen Schmierraum (44) in dem der Mechanismus (40) wenigstens teilweise angeordnet ist und der Mechanismus (40) in dem Schmierraum (44) mit einem Schmierstoff schmierbar ist, eine Membran (34) und mit der Membran (34) der Schmierraum (44) von dem Kompressionsraum (29) fluiddicht abgetrennt ist und die in dem zweiten Zylinderteilraum (51) angeordnete Membran (34) den zweiten Zylinderteilraum (51) in einen Membraninnenraum (52) und einen Membranaußenraum (53) unterteilt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkompressor (1) eine Druckausgleichsvorrichtung (54) umfasst mit einem Kanal (55, 56, 57) zum Einleiten und/oder Ausleiten eines Ausgleichsfluides in den und/oder aus dem Membraninnenraum (52) in Abhängigkeit von dem Druck in dem Membranaußenraum (53) und/oder umgekehrt in den und/oder aus dem Membranaußenraum (53) in Abhängigkeit von dem Druck in dem Membraninnenraum (52), um einen im Wesentlichen identischen Druck in dem Membraninnenraum (52) und Membranaußenraum (53) zu erreichen.
2. Kolbenkompressor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkompressor einen Verbindungskanal (57) umfasst und der Membranaußenraum (53) mit dem Verbindungskanal (57) mit einem Einlasskanal (22) des Einlassventils (19), insbesondere einem Zulaufbehälter (58) des zu verdichtenden Gases, fluidleitend verbunden ist, um den Druck des Fluides in dem Membranaußenraum (53) an den Druck in dem Einlasskanal (22) des Einlassventils (19) anzugleichen.
3. Kolbenkompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Membraninnenraum (52) ein erster Kanal (55) zum Einleiten des Ausgleichsfluides in den Membraninnenraum (52) und ein zweiter Kanal (56) zum Einleiten und/oder Ausleiten des Ausgleichsfluides in und/oder aus dem Membraninnenraum (52) ausgebildet ist.
4. Kolbenkompressor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkompressor eine Fördereinrichtung (59) umfasst und mit der Fördereinrichtung (59), insbesondere einem Kompressor (60), durch den ersten Kanal (55) das Ausgleichsfluid, insbesondere Luft, in den Membraninnenraum (52) einleitbar ist.
5. Kolbenkompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsfluid während des Betriebes des Kolbenkompressors (1), insbesondere kontinuierlich, mit der Fördereinrichtung (59) durch den ersten Kanal (55) in den Membraninnenraum (52) einleitbar ist.
6. Kolbenkompressor nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkompressor (1) einen Zwischenbehälter umfasst und der zweite Kanal (56) in den Zwischenbehälter (61) mündet.
7. Kolbenkompressor nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch den zweiten Kanal (56) das Ausgleichsfluid und vorzugsweise Schmierstoff leitbar ist.
8. Kolbenkompressor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überschuss des in den Membraninnenraum (52) eingeleiteten Ausgleichsfluides durch den zweiten Kanal (56) aus dem Membraninnenraum (52) ausleitbar und in den Zwischenbehälter (61) einleitbar ist.
9. Kolbenkompressor nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkompressor (1) ein Stellorgan (63) umfasst und mit dem Stellorgan (63) das Ausgleichsfluid in dem Zwischenbehälter (61) in Abhängigkeit von dem Druck in dem Membranaußenraum (53) dahingehend ausleitbar ist, um in dem Zwischenbehälter (61) und in dem Membranaußenraum (53) einen im Wesentlichen identischen Druck zu erreichen.
10. Kolbenkompressor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellorgan (63) ein Ventil (64), insbesondere Servoventil (64), ist, welches mit einem Steuerkanal (65) mit dem Einlasskanal (22) des Einlassventils (19), insbesondere dem Zulaufbehälter (58) des zu verdichtenden Gases, fluidleitend verbunden ist, um mit dem Druck des zu verdichtenden Gases in dem Einlasskanal (22) des Einlassventils (19) das Stellorgan (53) zu steuern.
11 . Kolbenkompressor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkompressor (1) einen Ableitungskanal (62) und einen Sammelbehälter (66) umfasst und das aus dem Stellorgan (63) ausgeleitete Fluid, insbesondere Ausgleichsfluid und/oder Schmierstoff, durch den Ableitungskanal (62) in den Sammelbehälter (66) einleitbar ist.
12. Verfahren zum Betreiben eines Kolbenkompressors (1) zum Verdichten von Gasen mit den Schritten: ein Zylinderraum (49) von einem Kolben (5) in einen ersten Zylinderteilraum (50) als Kompressionsraum (29) zum Verdichten des Gases und in einen zweiten Zylinderteilraum (51) unterteilt wird,
Einleiten eines zu verdichtenden Gases durch ein Einlassventil (19) in den Kompressionsraum (29),
Verdichten des eingeleiteten Gases in dem Kompressionsraum (29) mit einem Kolben (5) indem der Kolben (5) eine Hubbewegung zur Verkleinerung des Volumens des Kompressionsraumes (29) ausführt,
Ausleiten des in dem Kompressionsraum (29) verdichtenden Gases aus dem Kompressionsraum (29) durch ein Auslassventil (20), mit einem Mechanismus (40), der mit dem Kolben (5) in mechanischer Wirkverbindung steht, eine oszillierende Bewegung des Kolbens (5) ausgeführt wird, mit Schmierstoff in einem Schmierraum (44), in dem der Mechanismus (40) wenigstens teilweise angeordnet ist, der Mechanismus (40) mit dem Schmierstoff geschmiert wird, mit einer Membran (34) der Schmierraum (44) von dem Kompressionsraum (29) fluiddicht abgetrennt wird und von der Membran (34) der zweite Zylinderteilraum (51) in einen Membraninnenraum (52) und einen Membranaußenraum (53) unterteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in den Membraninnenraum (52) ein Ausgleichsfluid in Abhängigkeit von dem Druck des Fluides in dem Membranaußenraum (53) eingeleitet und/oder ausgeleitet wird und/oder umgekehrt in den Membranaußenraum (53) ein Ausgleichsfluid in Abhängigkeit von dem Druck des Fluides in dem Membraninnenraum (52) eingeleitet und/oder ausgeleitet wird, um einen im Wesentlichen identischen Druck in dem Membraninnenraum (52) und Membranaußenraum (53) zu erreichen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in den Membraninnenraum (52) durch einen ersten Kanal (55) zum Einleiten eines Ausgleichsfluides ein Ausgleichsfluid, insbesondere kontinuierlich und/oder stetig, eingeleitet wird und ein Überschuss des in den Membraninnenraum (52) durch den ersten Kanal (55) eingeleiteten Fluides durch einen zweiten Kanal (56) aus dem Membraninnenraum (52), insbesondere kontinuierlich und/oder stetig, ausgeleitet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des durch den zweiten Kanal (56) geleiteten Fluides als Ausgleichsfluid und/oder Schmierstoff gesteuert und/oder geregelt wird, so dass ein im Wesentlichen identischer Druck in dem Membraninnenraum (52) und Membranaußenraum (53) vorliegt.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranaußenraum (53) mit einem Verbindungskanal (57) mit einem
Einlasskanal (22) des Einlassventils (19), insbesondere einem Zulaufbehälter (58) des zu verdichtendes Gases, fluidleitend verbunden ist, so dass der Druck des Fluides in dem Membranaußenraum (53) im Wesentlichen dem Druck in dem Einlasskanal (22) des Einlassventils (19) entspricht indem das zu verdichtende Gas durch den Verbindungskanal (57) in den Membranaußenraum (53) eingeleitet und/oder ausgeleitet wird.
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