CN102619723B - 多级活塞式压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于气态或低温液化的介质的多级活塞式压缩机，其具有至少两个压缩级，这些压缩级在与用于联合驱动的共用传动系的相互作用的情况下工作，其中每个压缩级具有与传动系机械连接的、设置在压缩机缸体中以使其能够纵向移动的活塞，其特征在于，各个压缩级的活塞与位于压缩机缸体中的不可压缩的液体的液柱连接，其将活塞的活塞行程运动转化成设置在压缩机缸体中的压缩机活塞的运动，从而使其能够纵向移动，其中用于改变压缩机活塞的压缩机行程的液柱可以与出口连接。

Description

多级活塞式压缩机
技术领域
本发明涉及用于气态或低温液化的介质的多级活塞式压缩机，其具有至少两个压缩级，这些压缩级在与用于联合驱动的共用传动系的相互作用的情况下工作，其中每个压缩级具有与传动系机械连接的、设置在压缩机缸体中以使其可以纵向移动的活塞。
背景技术
DE102006042122A1公开了一种通用的多级活塞式压缩机。
该压缩机用于压缩气态或液态的介质，例如气态或液态的氢气、氮气或天然气。
在通用的多级压缩机中，单个压缩级的活塞与共用传动系连接，并且单个压缩级的活塞与传动系机械连接，压缩级的活塞由传动系联合驱动，驱动的传统系均以恒定的活塞行程执行活塞运动。对应的压缩级的每个活塞施加在对应的压缩级中加载的介质的压力。若压缩级在无压缩机功率的情况下同时工作，例如在部分载荷范围内或者在无载荷状态下，介质在执行活塞行程的同时工作的活塞上的加载压力产生额外的能量需求，其必须通过传动系施加从而驱动活塞。此外，加载压力导致同时工作的活塞将载荷施加在传动系上，从而尤其是在压缩级以部分载荷运行或无载荷运行期间将不均匀的载荷施加在传动系上。此外，在部分载荷或无载荷的情况下同时工作的压缩级的活塞中所配置的组件上，例如在用于将活塞密封在压缩机缸体中的密封装置、活塞的配合件以及待压缩的介质的进气阀和压力阀上，产生载荷和机械磨损。此外，压缩级的同时工作的活塞的活塞行程运动使得在活塞与压缩机缸体之间对应的表面上产生磨损。
若在通用的多级压缩机中的压缩级作为分级压缩机串联连接，并且一个压缩级的输出侧与下一个压缩级的输入侧连接，则在通用压缩机中，其中压缩级的活塞与共用传动系连接并且同时加以驱动，导致通过对应的压缩级的活塞的固定且恒定的活塞行程将各个压缩级的输入压力范围和压缩比限制到窄的范围。
发明内容
本发明的目的是提供通用的多级压缩机，其中压缩级可以彼此独立地工作，并且其改善了磨损和能量效率。
该目的根据本发明是通过以下方式实现的，各个压缩级的活塞与位于压缩机缸体中的不可压缩的液体的液柱连接，其将活塞的活塞行程运动转化成设置在压缩机缸体中的压缩机活塞的运动，从而使其可以纵向移动，其中用于改变压缩机活塞的压缩机行程的液柱可以与出口连接。因此，根据本发明，每个压缩级的与传动系机械连接的活塞通过不可压缩的液体例如液压液的液柱与执行对应的压缩机行程以压缩待压缩的介质的压缩机活塞连接。每个压缩级的液柱可以根据本发明的方式通过将液柱与出口连接而变化和改变，从而在通过传动系以机械方式驱动的活塞的恒定活塞行程的情况下，可以与活塞行程无关地控制分配给该活塞的压缩机活塞的压缩机行程。这使得即使驱动该活塞，仍然可以部分或完全地使压缩机活塞不活动，并由此使压缩机活塞关闭和固定不动，或者将其控制在压缩机行程中。因此，在根据本发明的多级活塞式压缩机中，可以在共用传动系的情况下实现能够独立且单独地工作的压缩级。因此，根据本发明连接由该活塞驱动的液压液的液柱，能够容易地使对应的压缩级以部分载荷运行。此外，将液柱与出口连接，能够使一个或多个压缩级不活动，其中使对应的压缩机活塞固定不动和关闭，并且在压缩机缸体中不执行任何运动。关闭或改变对应的压缩机活塞的压缩机行程改善了能量效率，这是因为不需要为不活动的活塞施加驱动功率，或者改变压缩机活塞的对应压缩机行程，从而将在部分载荷范围内的均匀载荷施加在传动系上。此外，关闭压缩机活塞，减少或避免了在活塞与压缩机缸体之间的表面、活塞密封件以及无载荷的压缩级的介质的入口阀和出口阀上的机械磨损。
在本发明的一个优选的实施方案中，提供阀排列以将液柱与出口连接。对应的阀排列可用于容易地控制将由以驱动方式与传动系连接的活塞所驱动的液柱与出口连接的过程，因而该阀排列将由活塞驱动的液柱输送至出口，从而部分或完全地使分配给该活塞的压缩机缸体不活动。
在本发明的一个实施方案中，特别有利的是，将压缩机缸体通过各个分支出口管线与收集出口管线相连接，其中阀排列位于分支出口管线中。具有阀排列的收集出口管线和对应的分支出口管线可以用在多级活塞式压缩机上的每个压缩级处，以容易地控制单独地将每个压缩级的液压液的液柱与出口连接的过程，从而部分或完全地使该压缩级的对应压缩机活塞不活动。
阀排列优选被设计为控制阀，尤其是滑阀或球阀，其具有一个锁定位置和一个浮动位置。通过相应的动作，该控制阀可用于容易地将液柱在浮动位置的方向上与出口连接，目的是具有由传动系驱动的活塞以将液柱输送至出口，从而控制压缩机活塞的运动和压缩机行程。
用电子控制器使阀排列动作的能力产生特别的优点。通过相应地使阀排列动作，可以将电子控制器用于容易地控制压缩机的工作状态。
收集出口管线优选与容器连接，尤其是施加预压力的容器。施加预压力的容器使得，通过在特定的反压力下打开的阀排列将液柱从驱动的活塞输送至该容器。替代性地，在收集出口管线中的特定的预压力可以通过在收集出口管线中的溢流阀实现。
若至少一个额外的阀排列位于收集出口管线或分支出口管线中，则本发明的另一个实施方案产生特别的优点。额外的阀排列使其容易影响和/或控制压缩机的工作状态。
在本发明的一个实施方案中，可以将额外的阀排列设计为溢流阀，尤其是泄压阀。在对应的分支出口管线中的泄压阀使得能够保证对应的压缩级的输入压力和/或输出压力，从而可以将对应的压缩级调节至改变的输入压力和/或输出压力。
在本发明的另一个实施方案中，可以将额外的阀排列设计为压力控制阀和/或限流阀。该额外的阀排列使得易于允许使对应的压缩级在部分载荷下不活动。
在本发明的一个有利的实施方案中，传动系包括由驱动马达驱动的曲柄或偏心轴，其中活塞通过各个连接杆与曲柄轴连接。活塞式压缩机在此可以被设计为直线压缩机，其中活塞在压缩机缸体中执行纯粹的直线运动，并且连接杆通过配合件设置在曲柄轴上。替代性地，根据本发明的压缩机可以具有回转式活塞构型，其中活塞在压缩机缸体中实施摆式移动，并且连接杆可以刚性地固定至曲柄或偏心轴。
在本发明的另一个优选的实施方案中，液柱可以与供应源连接。供应源可用于容易地再装填对应的压缩级的液柱，由此使得能够连接压缩级。供应源还使得能够易于更换液压液及更新液柱。
供应源优选包括与容器连接的供应泵，其通过供应管线进行输送，其中压缩机缸体通过各个分支供应管线与供应管线相连接，其中分支供应管线中分别引入了阀排列。在对应的分支供应管线中的阀排列使得易于经由供应泵再装填所分配的压缩级的液柱，其被送入供应管线中。
在本发明的一个可能的实施方案中，在根据本发明的活塞式压缩机中的压缩级串联连接。其中至少两个压缩级以一个压缩级的输出与另一个压缩级的输入相连接的方式串联连接的分级压缩机能够容易地通过如本发明所述将一个或所有的压缩级与出口相连接而使压缩级以部分载荷运行。由此，将均匀的载荷施加在传动系上。此外，允许使对应的压缩级适应于改变输入或输出压力，从而使根据本发明的活塞式压缩机可以在宽的输入和输出压力范围内运行。
在本发明的另一个可能的实施方案中，压缩级并联连接。在该活塞式压缩机中，每个压缩级构成分离的压缩机并且为压缩的介质提供相应的运送能力，如本发明所述部分或完全地使单独的压缩级不活动，这使得能够易于提供可改变和可调节的运送能力。连接根据本发明的所分配的压缩级的对应液柱使得易于以共用传动系实现可改变的运送能力的多个压缩机解决方案。部分或完全地不活动的压缩级在此均包含分离的独立压缩机。若该多级活塞式压缩机要求更高的运送能力，则可以相继地连接额外的压缩级。此外，根据本发明的压缩机使得能够最佳地利用驱动马达所设定的发动机输出功率。若压缩的介质的反压力在输出处低，则若干个压缩级可以同时工作。在输出处或者在增压机工作期间具有更高的反压力的情况下，单个压缩级可以容易地断开连接，从而能够调节至发动机输出功率。
如本发明所述将对应压缩级的液柱与出口相连接，进一步使得在根据本发明的多级压缩机的情况下所选择的压缩级能够单独地工作。例如在一个压缩级发生故障的情况下，这能够使所选择的压缩级工作，而不必使其他压缩级也工作。在根据本发明的多级压缩机中的一个或多个压缩级失效或发生故障的情况下，可以关闭受影响的压缩级，而压缩机可以利用起作用的压缩级继续工作。
根据本发明的活塞式压缩机可以如下方式设计，借助液柱工作的压缩机活塞与待压缩的介质直接接触，并压缩该介质。在本发明的另一个优选的实施方案中，压缩机被设计为离子型压缩机，其中对应的压缩级的压缩机活塞与位于压缩机缸体中的离子工作液体的液柱接触，并且用于压缩该介质。该离子型压缩机将待压缩的介质从离子液柱转移进入位移缸体中，并且优选用于压缩气态介质，例如氢气。
根据本发明的多级活塞式压缩机使得能够将液柱与出口连接，从而能够部分或完全地使一个或若干个压缩级不活动，同时传动系继续运行。单个压缩级的部分不活动能够容易地使所选择的压缩级以部分载荷运行。单个压缩级的完全不活动允许将压缩机的输出调节至传动系的驱动马达所设定的发动机输出功率和/或实现可改变的压缩机功率。此外，在有压缩级损坏或者不起作用的情况下，完全地使单个压缩级不活动允许使压缩机持续运行。
此外，根据本发明的多级活塞式压缩机使得能够将所有压缩级的液柱与出口连接，从而引发压缩机的紧急关闭，同时传动系继续运行。在根据本发明的多级活塞式压缩机的情况下，压缩级的所有液柱可以同时与出口连接，以实现紧急卸载，其中使所有的压缩级不活动，而不必立即使传动系停止。
基于附图所示的实施例更详细地阐述本发明的额外的优点和细节。
附图说明
图1所示为根据本发明的多级活塞式压缩机的示意图；及
图2所示为本发明的另一个实施方案。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的多级活塞式压缩机1，其在本实施例中包括四个压缩级A、B、C、D。
每个压缩级A、B、C、D包括位于压缩机缸体2A、2B、2C、2D中的活塞3A、3B、3C、3D，从而使其可以纵向移动。活塞3A-3D以驱动方式与共用传动系4连接，以联合驱动活塞3A-3D。
在所示的实施例中，传动系4由诸如电动机或内燃机的驱动马达5驱动的曲柄或偏心轴6组成，其中活塞3A-3D均通过连接杆7A-7D与曲柄轴6机械连接。可以引入配合件8A-8D，其中连接杆7A-7D铰链连接至曲柄或偏心轴6。
根据本发明，每个活塞3A-3D在压缩机缸体2A-2D中通过由不可压缩的介质例如液压液组成的液柱9A-9D与压缩机活塞10A-10D连接，压缩机活塞可以在压缩机缸体2A-2D中纵向移动，并且用于直接地或者在引入离子工作液体30A-30D的液柱的情况下压缩待压缩的介质M，例如气态或液态氢。所图示的密封件排列用于密封离开对应的压缩机缸体2A-2D的活塞3A-3D。
在驱动的传动系4的情况下，曲柄轴6和连接杆7A-7D的运动学特征导致在各个压缩级A-D的对应的活塞2A-2D的上下死点之间预定且恒定的活塞行程KH。
根据本发明，所分配的压缩级A-D的各个液柱9A-9D可以进一步与出口15连接。
为此提供收集出口管线21，其通往容器20并且通过每一个对应的分支出口管线22A-22D连接至各个压缩机缸体2A-2D。每个分支出口管线22A-22D中引入了阀排列23A-23D，以控制将液柱9A-9D与收集出口管线21连接的过程，并由此相应地排出所分配的液柱9A-9D的液压液。容器20可以施加轻微的预压力。
阀排列23A-23D可以被设计为滑阀或球阀，其可以在浮动位置与锁定位置之间动作。
为了从容器20再装填液压液至压缩级A-D的对应的液柱9A-9D中，提供具有供应泵26的供应源25，供应泵在吸入侧与容器20连接，并且在压力侧输送至供应管线27中。压缩机缸体2A-2D均通过分支供应管线28A-28D与供应管线27连接。各个阀排列29A-29D分别位于供应管线28A-29D中以相应地将液压液装填至所分配的液柱9A-9D中。阀排列29A-29D可以被设计为滑阀或球阀，其可以在浮动位置与锁定位置之间动作。
液压液可以通过相应地使阀排列23A-23D动作而从对应的液柱9A-9D排出，从而在所分配的活塞3A-3D朝向图1顶部的预定且恒定的活塞行程KH的情况下，将流动的施压介质以被输送至压缩机缸体2A-2D中的液柱9A-9D的液压液的形式利用打开的阀排列23A-23D部分或完全地输送至出口15，并因此进入容器20中。在阀排列23A-23D打开时，避免由机械驱动的活塞3A-3D输送的液压液达不到或者仅部分地到达所分配的压缩机活塞10A-10D，并且使压缩机活塞10A-10D执行相应的运动。该将液柱9A-9D中的所输送的液压液转移至收集出口管线21中的过程使得能够部分或完全地将受影响的压缩级A-D及因此压缩机活塞10A-10D切换至无载荷状态，并由此使其不活动。传动系4在此可以继续运行，并驱动额外的压缩级。
因此，如本发明所述将各个压缩级A-D的液柱9A-9D与出口15连接，使得能够与所分配的活塞3A-3D的恒定活塞行程KH无关地变化和改变每个压缩机活塞10A-10D的压缩机行程VH，其中压缩机活塞10A-10D可以进一步完全地关闭于压缩机行程VH为零处。因此，利用出口15及因此容器20控制液柱9A-9D，能够部分或完全地使压缩机缸体10A-10B不活动。单独地使阀排列23A-23D活动，进一步使得能够与其他压缩级的其他压缩机活塞的压缩机行程无关地控制和改变每个压缩机活塞10A-10D的压缩机行程VH。
图2显示了本发明的另一个实施方案，其是基于根据本发明的压缩机1的压缩级A。根据本发明的压缩机1的其他压缩级B-D可以相应地设计。
根据图2，压缩机1被设计为离子型压缩机1，其中压缩机活塞10A被设计为相分离器，其通过液压液及因此液柱9A-9D移动，与位于压缩机缸体2A中的离子工作液体30A的液柱接触，并且执行压缩机行程于对应于压缩机活塞10A的压缩机行程VH的装料位31处。离子工作液体30A用于压缩介质M，其位于由位移缸体2A和离子工作液体30A产生的位移空间内。在压缩机缸体2A处的入口阀32A和出口阀33A可以用于吸入和排出介质M。
图2进一步显示了电动活化装置40A，例如磁力或电动执行器，其用于使位于分支出口管线22A中的阀排列23A活动。可以通过与用于此目的的活化装置40A连接的电子控制器41使阀排列23A活动。
根据图2，将至少一个额外的阀排列50A设置在分支出口管线22A中。在本实施例中，诸如泄压阀的溢流阀51A和诸如压力控制阀或泄压阀的控制阀52A位于分支出口管线22A中作为额外的阀排列50A。
根据本发明的多级压缩机1涉及一系列的优点。
在根据本发明的多级活塞式压缩机1中，在具有单独的驱动马达5的共用传动系4的情况下，可以实现独立的压缩级A-D。在根据本发明的具有共用传动系4的多级活塞式压缩机1中，可以部分或完全地使单独的压缩级A-D不活动，并由此在部分载荷或无载荷的条件下运行，或者可以使单独的压缩机活塞不运动。这改善了能量效率及减少了用于驱动不活动的压缩级的载荷。此外，在压缩级的固定不动的压缩机活塞中，例如在压缩机活塞的密封件上以及在压缩机活塞和压缩机缸体的表面上，以及在压缩级的阀中，实现了减少的载荷及更低的机械磨损。
部分或完全地将单独的压缩级与传动系断开连接，进一步在部分载荷运行期间获得提高的能量效率。此外，这使得能够在传动系上保持均匀的载荷。
此外，如本发明所述单独地使分离的压缩级不活动，允许将压缩机1调节至待压缩的介质的改变的输入和输出压力。因此，在根据本发明的被设计为分级压缩机的多级活塞式压缩机中，这允许在对应的压缩级上在扩展的输入压力范围内及以可改变的压缩比运行。
一个或多个额外的阀排列位于对应的压缩级的分支出口管线中，使得能够易于影响和/或控制压缩机的工作状态。通过在压缩级的对应的分支出口管线中设置诸如泄压阀的溢流阀和/或诸如压力控制阀或流量控制阀的控制阀，可以容易地实现对应的压缩级的一个或多个不活动的变化状态(部分载荷、压力释放、完全关闭)。

Claims (21)

1.用于气态或低温液化的介质的多级离子型活塞式压缩机，其具有至少两个压缩级，这些压缩级在与用于联合驱动的共用传动系的相互作用的情况下工作，其中每个压缩级具有与传动系机械连接的、设置在压缩机缸体中以使其能够纵向移动的活塞，其特征在于，各个压缩级(A；B；C；D)的活塞(3A；3B；3C；3D)与位于压缩机缸体(2A；2B；2C；2D)中的不可压缩的液体的第一液柱(9A；9B；9C；9D)连接，其将活塞(3A；3B；3C；3D)的活塞行程运动转化成设置在压缩机缸体(2A；2B；2C；2D)的上部中的压缩机活塞(10A；10B；10C；10D)的运动，从而使其能够纵向移动，其中不可压缩的液体的第一液柱设置在所述活塞与压缩机活塞之间的压缩机缸体中，对应的压缩级的压缩机活塞与位于压缩机缸体中的离子工作液体的第二液柱接触，其中离子工作液体的第二液柱设置在压缩机活塞顶部的压缩机缸体中，离子工作液体的第二液柱与所述介质直接接触并且用于压缩所述介质，其中压缩机活塞被设计为相分离器用于分离第一液柱和第二液柱，其中用于改变压缩机活塞(10A；10B；10C；10D)的压缩机行程(VH)的第一液柱(9A；9B；9C；9D)与出口(15)连接。
2.根据权利要求1的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，提供阀排列(23A；23B；23C；23D)用于将第一液柱(9A；9B；9C；9D)与出口(15)连接。
3.根据权利要求2的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，压缩机缸体(2A；2B；2C；2D)通过各个分支出口管线(22A；22B；22C；22D)与收集出口管线(21)相连接，其中阀排列(23A；23B；23C；23D)位于分支出口管线(22A；22B；22C；22D)中。
4.根据权利要求2或3的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，阀排列(23A；23B；23C；23D)被设计为控制阀，其具有一个锁定位置和一个浮动位置。
5.根据权利要求2或3的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，阀排列(23A；23B；23C；23D)被设计为滑阀或球阀，其具有一个锁定位置和一个浮动位置。
6.根据权利要求2或3的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，利用电子控制器(41)使阀排列(23A；23B；23C；23D)动作。
7.根据权利要求3的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，收集出口管线(21)与容器(20)连接。
8.根据权利要求3的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，收集出口管线(21)与施加预压力的容器连接。
9.根据权利要求3的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，至少一个额外的阀排列(50A)位于收集出口管线(21)或分支出口管线(22A；22B；22C；22D)中。
10.根据权利要求9的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，额外的阀排列(50A)被设计为溢流阀(51A)。
11.根据权利要求9的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，额外的阀排列(50A)被设计为泄压阀。
12.根据权利要求9或10的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，额外的阀排列(50A)被设计为控制阀(52A)。
13.根据权利要求9或10的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，额外的阀排列(50A)被设计为压力控制阀。
14.根据权利要求9或10的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，额外的阀排列(50A)被设计为限流阀。
15.根据权利要求1至3之一的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，传动系(4)包括由驱动马达(5)驱动的曲柄或偏心轴(6)，其中活塞(3A；3B；3C；3D)通过各个连接杆(7A；7B；7C；7D)与曲柄或偏心轴(6)连接。
16.根据权利要求1至3之一的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，第一液柱(9A；9B；9C；9D)与供应源(25)连接。
17.根据权利要求16的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，供应源(25)包括与容器(20)连接的供应泵(26)，其通过供应管线(27)进行输送，其中压缩机缸体(2A；2B；2C；2D)通过各个分支供应管线(28A；28B；28C；28D)与供应管线(27)相连接，其中分支供应管线(28A；28B；28C；28D)中分别引入了阀排列(29A；29B；29C；29D)。
18.根据权利要求1至3之一的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，压缩级(A；B；C；D)串联连接。
19.根据权利要求1至3之一的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，压缩级(A；B；C；D)并联连接。
20.根据权利要求1至3之一的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，将第一液柱(9A；9B；9C；9D)与出口(15)连接，使得能够部分或完全地使一个压缩级(A；B；C；D)或若干个压缩级(A；B；C；D)不活动，同时传动系(4)继续运行。
21.根据权利要求1至3之一的多级离子型活塞式压缩机，其特征在于，将所有的压缩级(A；B；C；D)的第一液柱(9A；9B；9C；9D)与出口(15)连接，使得能够引发压缩机(1)的紧急关闭，同时传动系(4)继续运行。
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