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Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zum Steuern des Kühlfluidstroms
in Kompressoren, insbesondere in Rotationsverdichtern nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff von
Patentanspruch 18.
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Bei den hier angesprochenen Kompressoren,
insbesondere Rotationsverdichtern handelt es sich im speziellen
um fluideingespritzte Schraubenkompressoren. Da solche Maschinen
häufig
an wechselnden Orten eingesetzt werden, sind sie in der Regel fahrbar
oder zumindest transportabel ausgeführt. Von diesen Maschinen wird
das komprimierte Prozessfluid über
Leitungen angeschlossenen pneumatischen Verbrauchern, wie beispielsweise
Druckluftwerkzeugen, wie Drucklufthämmern, Druckluftschlagschraubern,
Druckluftschleifern, u.ä.,
zugeführt.
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Die genannten Kompressoren, wie beispielsweise öleingespritzte
Schraubenkompressoren, sind seit vielen Jahren bekannt. Während des
Verdichtungsprozesses wird in diesen Kompressoren zum Prozessfluid,
ein Kühlfluid,
insbesondere Öl
in das Kompressionsvolumen eingespritzt. Das Kühlfluid dient zur Kühlung des
Prozessfluids durch Abführung der
Verdichtungswärme
in einem separaten Kühlkreislauf
und darüber
hinaus zur Schmierung bestimmter Bauteile des Kompressors sowie
zur Abdichtung des Kompressionsvolumen. Ist das Prozessfluid Luft,
wird es meist aus der Umgebung angesaugt und enthält daher
in der Regel eine von seiner Temperatur abhängige Menge gasförmigen Wassers.
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Ein erstes Problem, das in diesem
Fall bei der Einspritzung bzw. Rückführung des
Kühlfluids
zu beachten ist, liegt in der Gefahr der Unterschreitung des Taupunktes
für das
im Prozessfluid Luft vorliegende gasförmige Wasser. Auskondensiertes
Wasser kann mit dem Kühlfluid,
insbesondere dem Öl
in gewissem Umfang emulgieren oder darüber hinaus als zusätzliche
Phase eingespritzt bzw. rückgeführt werden.
Dies ist u.a. mit den folgenden Nachteilen behaftet: Verminderung
der Schmiereigenschaften des Kühlfluides,
verstärkte
Bauteilkorrosion und erhöhter
Lagerverschleiß im
Kompressor.
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Ein zweites, vom ersten zu unterscheidendes
Problem ergibt sich, wenn das Prozessfluid, insbesondere die Druckluft
im Leitungsweg zum pneumatischen Gerät abkühlt und dabei im Prozessfluid enthaltenes
Wasser auskondensiert. Im pneumatischen Gerät kann dadurch Korrosion auftreten.
Infolge dessen können
dauerhafte Schäden
auftreten. Eine deutliche Verschärfung
des Problems liegt vor, wenn innerhalb der Verbraucherleitungen
bzw. innerhalb der pneumatischen Verbraucher aufgrund der niedrigen
Umgebungstemperatur Eisbildung auftritt und die Leitungswege zum
oder im pneumatischen Verbraucher dadurch teilweise oder ganz blockiert werden.
Diese Effekte können
durch die Expansion der Druckluft im pneumatischen Verbraucher zusätzlich verstärkt werden.
Dies kann zu Funktionsuntüchtigkeiten
oder gar zur völligen
Betriebsunfähigkeit
der zugeordneten pneumatischen Verbraucher führen.
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Ein drittes, zusätzlichen Problem entsteht, wenn
die herkömmlicherweise
für das
Kühlfluid
vorgesehene Temperaturregelung lediglich die ersten beiden Probleme
beachtet und dabei ein Prozessfluid mit hohen Temperaturen an den
pneumatischen Verbraucher liefert. Bei hoher Umgebungstemperatur tritt
auf dem Weg zum pneumatischen Verbraucher nur noch eine geringe
Abkühlung
ein, was zu thermisch bedingten Verletzungen des Bedieners am pneumatischen
Verbraucher führen
kann.
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Zahlreiche Vorüberlegungen zur Steuerung des
Kühlfluids
in Kompressoren vor dem Hintergrund der genannten Probleme sind
bereits bekannt. Ein gängiges
technisches Regelungsprinzip zur Steuerung der Temperatur eines
Kühlfluids
in Kompressoren ist beispielsweise in der
EP 0 067 949 B1 angegeben.
Ein Thermoschieber bestimmt hier, ob Kühlfluid zur Abkühlung über einen
Fluidkühler
oder zur Erhöhung
der Temperatur am Fluidkühler
vorbeigeführt
wird. Die Regelung führt
zu einer relativ konstanten Temperatur des Kühlfluids, wobei die Temperatur
so gewählt
wird, dass einerseits eine Unterschreitung des Taupunktes des Prozessfluides
und andererseits eine zu große
Belastung des Kühlfluids durch
eine zu hohe Temperatur vermieden wird.
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In der
US
4 289 461 ist eine weiterentwickelte Ventileinheit mit
einem Kühlfluideingang
und einem Kühlfluidausgang
beschrieben. Dort wird ebenfalls der Volumenstrom des Kühlfluids
in einer den Fluidkühler überbrückenden
Bypass-Leitung geregelt, wobei ein Teilstrom des Kühlfluids
stets durch den Fluidkühler
geführt
wird. Die Regelung erfolgt mittels eines Ventils, das zwei gegeneinander
arbeitende Stellorgane umfaßt,
wobei ein Stellorgan in Abhängigkeit
der Ansaugtemperatur und ein zweites Stellorgan in Ab hängigkeit
der Systemtemperatur arbeitet. An dieser Ausführung ist u.a. nachteilig,
dass die Ventileinheit kompliziert und störanfällig aufgebaut ist und weiterhin
ein Mindestvolumenstrom des Kühlfluids über den
Fluidkühler
geführt
wird. Es wird somit ständig
gekühlt
und damit auch eine Absenkung der Temperatur des Prozessfluids bewirkt.
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In der
US
4 431 390 ist eine Regelung angegeben, bei der noch eine
zweite Bypass-Leitung
am Fluidkühler
vorbei vorgesehen ist. In dieser zweiten Bypass-Leitung befindet
sich ein weiteres Ventil, das pulsweise, angesteuert durch einen
Prozessor, eine bestimmte Menge Kühlfluid am Fluidkühler vorbei führt. Diese
Pulse werden durch den Prozessor in Abhängigkeit verschiedener Parameter
freigegeben. Diese Lösung
ist somit sowohl wegen der Erfassung der verschiedenen Parameter,
der Auswertung der Parameter und schließlich auch wegen des Vorsehens
einer weiteren Bypass-Leitung sehr aufwendig.
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Die vordiskutierten Lösungen beschäftigen sich
vorrangig mit dem Problem, das Kühlfluid
im Kompressor selbst auf einer Temperatur zu halten, die das Auskondensieren
von Wasser und damit die Beeinträchtigung
des Kühlfluids
sowie des Kompressors verhindern. Gleichzeitig sind die angegebenen Regelungen
so ausgelegt, dass, um das Kühlfluid
zu schonen, eine wesentlich höhere
Temperatur des Kühlfluids
vermieden wird. Die Problematik des Auskondensierens von Wasser
in pneumatischen Verbrauchern oder Verbraucherzuleitungen wird nicht angesprochen.
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Hierzu ist aus der
DE 36 01 816 A1 eine Lösungsvariante
bekannt. Dort wird das etwa 60°C über der
Ansaugtemperatur des Kompressors erwärmte komprimierte Prozessfluid
in einem überdimensionierten
Nachkühler
auf eine Temperatur abgekühlt, die
etwa 10°C über der
Ansaugtemperatur liegt. Dabei kondensiert ein erheblicher Teil des
im Prozessfluid vorhandenen Wasserdampfes aus und wird durch Kondensatabscheider
ausgeschieden. Nachfolgend wird das komprimierte Prozessfluid in
einem nachgeschalteten Wärmetauscher
erneut erwärmt, so
dass – beeinflusst
durch die aktuellen, jedoch bei der Auslegung als unveränderlich
angenommenen Umgebungsparameter – ein recht trockenes, etwa 60°C über der
Ansaugtemperatur erwärmtes,
damit sehr heißes
prozeßfluid
vorliegt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Anordnung zum Steuern des Kühlfluids
in Kompressoren, ausgehend vom Stand der Technik, derart weiter
zu bilden, dass sich bei einem einfachen, kostengünstigen
und zuverlässigen
Aufbau das Auskondensieren von Wasser sowohl im Kühlfluid
als auch im an einen Verbraucher abgegebenen Prozessfluid, insbesondere
ein Auskondensieren und Einfrieren im Verbraucher selbst bei Aufrechterhaltung
hoher Bedienfreundlichkeit verringern oder möglichst vermeiden lässt.
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Diese Aufgabe wird in vorrichtungstechnischer
Hinsicht mit einer Anordnung nach den Merkmalen des Patentanspruches
1 und in verfahrenstechnischer Hinsicht mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
18 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind
in den Unteransprüchen
angegeben.
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Ein Kerngedanke der vorliegenden
Erfindung besteht darin, einen Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator vorzusehen,
der mit Vorrang gegenüber
dem Systemsteuer-Aktuator in einer Sommerposition die Wirkung des
Systemssteuer-Aktuator in einer Wirkrichtung ganz oder teilweise
aufhebt, derart, dass bei Aktivierung des Sommer-/Winterbetriebs-Aktuators der Teilstroms
des über
den Fluidkühler
geführten
Kühlfluids
durch ein Fluidsteuermittel erhöht
bzw. verringert wird.
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Dabei benutzt die Erfindung den Zusammenhang,
dass die Temperatur des Prozessfluids am Anlagenaustritt durch die
Temperatur des Kühlfluids
bestimmt wird, insbesondere ungefähr der maximalen Temperatur
des Kühlfluids
entspricht. Eine Steuerung der Temperatur des Prozessfluids am Anlagenausgang
kann daher sowohl durch eine Beeinflussung der Einspritztemperatur
als auch der Einspritzmenge des Kühlfluids erreicht werden.
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Um die unerwünschte Kondensation von Feuchtigkeit
im Kompressor, vor allem aber in den Verbraucherzuleitungen bzw.
den Verbrauchern zu vermeiden, kann die Anordnung zunächst so
eingestellt werden, dass das Prozessfluid weniger stark abgekühlt und
mit einer vergleichsweisen hohen Temperatur den Verbraucher bzw.
den Verbraucher-Leitungen
zugeführt
wird. Die innerhalb der Verbraucherleitungen bzw. bis zum Verbraucher
auftretende Abkühlung
reicht dann in der Regel aus, um ein angenehmes Arbeiten für ein am
Verbraucher tätiges Bedienpersonal
zu gewährleisten.
Lediglich bei heißer
Umgebungstemperatur, wo der Abkühleffekt
des Prozessfluids auf dem Weg zum Verbraucher u.U. nicht mehr so
groß ist,
soll erfindungsgemäß das Prozessfluid
durch Betätigung
eines Sommer-/Winterbetriebs-Aktuators noch weiter herabgekühlt werden.
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Der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator
oder allgemeiner gesprochen ein Umgebungstemperatur-Kompensions-Aktuator
ist vorgesehen, um einen verminderten bzw. erhöhten Abkühleffekt durch eine niedrigere
bzw. höhere
Umgebungstemperatur möglichst
auszugleichen. Die Verwendung der Begriffe Sommer und Winter im
Zusammenhang mit Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator oder Sommer-/Winterposition
dient dem besseren Verständnis
und meint allgemein zwei verschiedene Arten von Umgebungsbedingungen,
nämlich
einerseits kältere
und andererseits wärmere
Umgebungsbedingungen.
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Dabei zielt einerseits der Winterbetrieb
darauf ab, eine Unterschreitung des Taupunktes des Prozessfluids
bis hin zum Verbraucher zu vermeiden, wohingegen der Sommerbetrieb
eine Überschreitung einer
maximalen Temperatur am Verbraucher verhindern soll.
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Mit der beschriebenen Anordnung lassen sich
auf einfache Weise alle drei beim Stand der Technik vorhandenen
Problemkreise, nämlich
Kondensation im Kompressor, Kondensation in den Verbraucherleitungen
bzw. den Verbrauchern und zu starke Erwärmung der Verbraucher gerade
bei heißer
Umgebungstemperatur auf zuverlässige
und kostengünstige
Weise lösen.
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In einer alternativen Ausgestaltung
umfasst der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator, der, allgemeiner gesprochen,
auch als Umgebungstemperatur-Kompensations-Aktuator zur Kompensierung
von Abkühleffekten
durch eine höhere
bzw. niedrigere Umgebungsluft bezeichnet werden kann, eine manuelle
Betätigungseinrichtung, über die
sich der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator betätigen, insbesondere zwischen
zwei Positionen, nämlich
einer Sommerposition und einer Winterposition umschalten lässt. Es
versteht sich von selbst, dass die manuelle Betätigungseinrichtung auf unterschiedliche
Weise ausgebildet sein kann, beispielsweise einen Handhebel, ein
Einstellrad, u.U. mit Untersetzung und eine andere geeignete Betätigungseinrichtung
umfassen kann.
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In einer konkreten Ausgestaltung
umfasst der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator eine Betätigungswelle
mit einem Exzenter, wobei der Exzenter über ein Steuerelement auf das
Fluidsteuermittel einwirkt. Die Betätigungswelle kann dabei beispielsweise
mit der manuellen Betätigungseinrichtung
in Wirkverbindung stehen oder auch elektromotorisch, pneumarisch
oder hydraulisch angetrieben werden.
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In einer anderen alternativen Ausgestaltung steht
der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator
mit einem Außenluftthermoelement
in Wirkverbindung, wobei das Außenluftthermoelement
in Abhängigkeit von
der Außen-
oder Umgebungstemperatur den Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator aktiviert.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung steht
der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator
mit einem Thermosensor in Wirkverbindung, der in Abhängigkeit
der Außentemperatur
den Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator aktiviert. In beiden vorgenannten Ausgestaltungen
liegt der Vorteil gegenüber
einer manuellen Betätigungseinrichtung
darin, dass eine automatische Kompensation eines erhöhten oder verminderten
Abkühleffektes
bei kälterer
bzw. wärmerer
Umgebungsluft erfolgt, wo hingegen bei einem manuellen Betätigungselement
die Aktivierung des Sommer-/Winterbetriebs-Aktuators durch das Bedienungspersonal
zu erfolgen hat.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
stehen der Systemsteuer-Aktuator und der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator
mit einem gemeinsamen Fluidsteuermittel in Wirkverbindung, wobei das
Fluidsteuermittel den über
den Fluidkühler
geführten
Teilstrom des Kühlfluids
einstellt und wobei die Wirkverbindung des Systemsteuer-Aktuators mit dem
Fluidsteuermittel bei Betätigung
des Sommer-/Winterbetriebs-Aktuators
in Richtung auf eine Sommerposition in einer Wirkrichtung ganz oder
teilweise aufgehoben wird. Die Steuerung der Abkühlung des Prozessfluids lässt sich
auf diese Weise, wenn sowohl Systemsteuer-Aktuator und Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator nur über ein
gemeinsamen Fluidsteuermittel auf den Fluidstrom dem Kühlfluids
einwirken, auf besonders einfache und effektive Weise durchführen. Gleichzeitig
wird dadurch die als zweckmäßig angesehene
Vorrangschaltung auf besonders einfache Weise realisiert, dadurch,
dass der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator bei Bedarf in eine Position
bringbar ist, in der er die Wirkung des Systemsteuer-Aktuators in
einer Wirkrichtung ganz oder teilweise aufhebt. Es wird so möglich, die
Anlage wie eingangs geschildert zunächst auf eine relativ hohe
Temperatur des Prozessfluids einzustellen und Korrekturen bei hoher
Umgebungstemperatur über den
Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator
vorzunehmen.
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In einer konkreten Ausgestaltung
der Erfindung sind Systemsteuer-Aktuator und Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator
axial zueinender angeordnet, was einen vergleichsweise einfachen
Aufbau ermöglicht.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
ist ein verschieblich gelagertes Steuerelement und das Fluidsteuermittel
einstöckig
als Steuerzylinder ausgebildet. Bei dem verschieblich gelagerten Steuerelement
handelt es sich um ein Kraft- oder Wirkübertragungsmittel, das nicht
notwendigerweise vom Fluidstrom umspült sein muss. In einer bevorzugten
Ausgestaltung greift der einstöckige
Steuerzylinder in den Fluidstrom ein und umfasst gleichzeitig Dichtflächen, um
eine Abdichtung gegenüber
dem Fluidkanal zu bewirken.
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In einer konstruktiv bevorzugten
Ausgestaltung ist der Systemsteuer-Aktuator am, vorzugsweise im
Steuerelement untergebracht und stützt sich gegen eine gegenüber allen
Positionen des Sommer-/Winterbetriebs-Aktuators feststehende Anlagefläche ab.
Damit ist der Systemsteuer-Aktuator je nach Position des Sommer-/Winterbetriebs-Aktuators in einer
Wirkrichtung nur noch zum Teil, u.U. auch überhaupt nicht mehr im Hinblick
auf eine Verstellung des Fluidsteuermittels wirksam.
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In einer konkreten, zweckmäßigen Ausgestaltung
wird der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator über einen
Verstellkolben direkt oder indirekt auf das Steuerelement zur Verstellung
des Fluidsteuermittels ein.
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Der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator
ist mindestens zwischen zwei Positionen umschaltbar. Bevorzugter
Maßen
kann er auch eine oder mehrere Zwischenpositionen einnehmen oder,
was regelungstechnisch besonders bevorzugt wird, kontinuierlich
zwischen einer ersten Position (Winterposition) und einer zweiten
Position (Sommerposition) veränderbar
sein.
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Leiter ist es auch möglich, das
Konzept der vorliegenden Erfindung in einer logischen Umkehr vorzusehen,
nämlich
das Prozessfluid bei einem Kompressor durch die Anordnung zur Steuerung
des Kühlfluidstroms
zunächst
auf einer eher niedrigen, kondensationsanfälligen Temperatur auszusteuern und
mittels eines Sommer-/Winterbetriebs- Aktuators bzw. Kompensations-Aktuators
für kritische
Umgebungstemperaturen, nämliche
kühle Umgebungstemperaturen
eine Vorrangshaltung vorzusehen, die durch Einflussnahme auf den
Kühlfluidstrom
ein Prozessfluid mit einer erhöhten
Temperatur erzeugt. Weiterhin kann die Temperatur des Prozessfluids durch
das Konzept einer Vorrangschaltung nach der vorliegenden Erfindung
nicht nur durch die Steuerung der Temperatur des in den Kompressor
eingespritzten Kühlfluids,
sondern ergänzend
oder auch alternativ über
die Veränderung
des Volumenstromes des Kühlfluids
beeinflusst werden.
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Nach einem weiteren besonderen Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung ist das Fluidsteuermittel an einem Knotenpunkt
zwischen einer den Fluidkühler überbrückenden
Bypass-Leitung und einer dem Fluidkühler zugeordneten Kühlleitung
positioniert, derart, dass mit Erhöhung des über den Fluidkühler geführten Kühlfluidstroms
gleichzeitig der über die
Bypass-Leitung geführte
Fluidstrom verringert wird. Hierbei kann das Fluidsteuermittel sowohl
an einem in Fluidrichtung vor dem Fluidkühler liegenden Knotenpunkt
als auch an einem in Fluidrichtung nach dem Fluidkühler liegenden
Knotenpunkt positioniert sein. Das Anbringen der Fluidsteuermittel
in einem Knotenpunkt wird als besonders vorteilhaft empfunden, da
mit Erhöhung
des einen Teilstroms gleichzeitig eine Verminderung des anderen
Teilstroms und damit eine sehr effektive Einflussnahme bewirkt wird.
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Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird auch ein Verfahren zur Steuerung des Kühlfluids
in Kompressoren, insbesondere in Rotationsverdichtern beansprucht,
das sich vor allem dadurch auszeichnet, dass zur Verhinderung von Kondensation
und/oder Eisbildung in den angeschlossenen Verbrauchern bzw. Verbraucherzuleitungen
bei niedrigen Außenlufttemperaturen,
insbesondere bei Unterschreiten einer bestimmten Außenlufttemperatur
TG, der über
den Fluidkühler
geführte Teilstrom
des Kühlfluids
unterbrochen oder verringert wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
dieses Verfahrens wird der über
den Fluidkühler
geführte Teilstrom
zunächst
unabhängig
von der Außenlufttemperatur
verringert und nur bei hohen Außenlufttemperaturen,
insbesondere bei Überschreiten
einer bestimmten Außenlufttemperatur
TG, der über
den Fluidkühler
geführte
Teilstrom wieder erhöht.
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Die Erfindung wird nachstehend auch
hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Hierbei zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
eines Rotationsverdichters mit Fluidkühlung, der eine Anordnung zum
Steuern des Kühlfluidstroms
umfasst.
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2 eine
Ausführungsform
einer Ventileinheit für
eine Anordnung zum Steuern des Kühlfluidstroms
in Kompressoren.
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3 eine
andere Ausführungsform
einer Ventileinheit für
eine Anordnung zum Steuern des Kühlfluidstroms
in Kompressoren in einer ersten Position.
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4 die
Ausführungsform
einer Ventileinheit für
eine Anordnung zum Steuern des Kühlfluidstroms
in Kompressoren nach 3 in
einer zweiten Position.
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In 1 ist
schematisch eine Kompressoranlage 31 mit einem Kompressor 12 und
einer daran angeschlossenen Anordnung zur Steuerung des Kühlfluidstroms 30 dargestellt
Der Kompressor 12 wird über
eine Antriebswelle 32 von einem (nicht dargestellten) Antrieb
angetrieben. Durch den Kompressor 12 wird über einen
Ansaugfilter 33 Umgebungsluft angesaugt und gelangt über einen
Ansaugstutzen 34 in den Verdichtungsraum 35. Gleichzeitig
wird dem Kompressor über
eine Zuführleitung 36 ein Kühlfluid,
im vorliegenden Fall Öl,
zugefürt.
Das in Form von Öl
vorliegende Kühlfluid
dient der Schmierung, verbessert die Abdichtung und kühlt das
angesaugte und komprimierte Prozessfluid, das hier in Form von Druckluft
vorliegt. Das Druckluft-/Ölgemisch
wird über
eine Kühlfluid-/Prozessfluidleitung 37 einem
Fluidabscheider 38 zugeführt. Im Fluidabscheider 38 wird
das Kühlfluid-/Prozessfluidgemisch, das
hier als Öl-/Druckluftgemisch
vorliegt, getrennt. Das in Form von Druckluft gewonnene Prozessfluid wird
an eine Ausgabeleitung 39 und von dort über Verbraucherleitungen (nicht
dargestellt) ein oder mehreren Verbrauchern zugeführt.
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Das im Fluidabscheider 38 rückgewonnene, in
Form von Öl
vorliegende Kühlfluid
gelangt über eine
Rückführleitung 40 an
einen ersten Knotenpunkt 41, an dem eine Kühlerleitung 21 zu
einem Fluidkühler 14 und
von dort an einen zweiten Knotenpunkt 42 führt. Eine
Bypass-Leitung 20 verbindet den ersten Knotenpunkt 41 und
den zweiten Knotenpunkt 42 direkt unter Überbrückung des
Fluidkühlers 14.
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Der zweite Knotenpunk 42 ist
bei der vorliegenden Ausgestaltung in einer Ventileinheit 43 definiert.
Die Ventileinheit 43 kann vorzugsweise unmittelbar am Kompressorblock
oder am Fluidabscheider 38 oder auch am Fluidkühler 14 angebracht
sein. Die Ventileinheit 43 umfasst einen Systemsteuer-Aktuator 15,
der mit einem Fluid-Thermoelement 29 in Wirkverbindung
steht und ein Fluidsteuermittel 19 anhand der Temperatur
des Kühlfluids
steuert (vgl. 2). Bei
Erhöhung
der Temperatur des Kühlfluids verringert
das Fluidsteuermittel den über
die Bypass-Leitung geführten
Teilstrom und erhöht
gleichzeitig den über
den Fluidkühler 14 geführten Teilstrom,
so dass das Kühlfluid
durch den Fluidkühler 14 insgesamt
stärker
gekühlt
wird. Falls sich das Kühlfluid
dagegen abkühlt,
wird über
das Fluidsteuermittel der Strom des über den Fluidkühler geführten Kühlfluids
verringert; gleichzeitig wird der Teilstrom des über die Bypass-Leitung 20 am
Fluidkühler 14 vorbeigeleiteten
Kühlfluids
erhöht,
so dass das Kühlfluid
insgesamt weniger abgekühlt
wird.
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Das Kühlfluid kann, wie vorliegend
gezeigt, noch über
einen Ölfilter 44 geführt werden
und wird über
die bereits erwähnte
Zufuhrleitung 36 erneut in den Verdichtungsraum 35 des
Kompressors 12 eingeleitet. Die erfindungsgemäße Anordnung
zur Steuerung des Kühlfluidstroms
ist in einem über
dem Verdichtungsraum 35 des Kompressors 12 und
den Fluidabscheider 38 führenden Kreislauf integriert.
Ein Kühlfluideingang 11 der
Anordnung zur Steuerung des Kühlfluidstroms 30 wird
vorliegend durch die bereits erwähnte
Rückführleitung 40 und
ein Kühlfluidausgang 13 durch
die ebenfalls bereits erwähnte
Zuführleitung 36 definiert.
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In 2 wird
eine erste Ausführungsform der
in 1 lediglich schematisch
veranschaulichten Ventileinheit 43 in einer konkreten Ausgestaltung
in einer Schnittansicht dargestellt. Die Ventileinheit 43 umfasst
zunächst
einen aber Ventilblock 45 mit einer zentralen Bohrung 46,
einer ersten seitlichen Bohrung 47, einer zweiten seitlichen
Bohrung 48 und einer dritten seitlichen Bohrung 49.
Die zentrale Bohrung 46 weist einen oberen Abschnitt 50,
einen mittleren Abschnitt 51 und einen unteren Abschnitt 52 auf.
Der untere Abschnitt 52 definiert einen zentralen Ventilinnenraum 53.
Der mittlere Abschnitt ist gegenüber
dem unteren Abschnitt 52 sowie dem oberen Abschnitt 50 erweitert
und bildet eine Ventilkammer 54. Die Ventilkammer 54 steht über die
erste seitliche Bohrung 47 in Fluidverbindung mit der Zuführleitung 36 an
den Verdichtungsraum 35 des Kompressors 12. Der
zentrale Ventilinnenraum 53 steht über die zweite seitliche Bohrung 48 in
Fluidverbindung mit der Bypass-Leitung 20. Der obere Abschnitt 50 der zentralen
Bohrung 46 im Ventilblock 45 definiert einen oberen
Ventilinnenraum 55, der über die dritte seitliche Bohrung 49 mit
dem Fluidkühler 14 in
Fluidverbindung steht.
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In der zentralen Bohrung 46 des
Ventilblocks 45 ist ein – hier einstückig aus
einem Steuerelement 24 und einem bereits erwähnten Fluidsteuermittel 19 bestehender – Steuerzylinder 25 längsverschieblich aufgenommen.
Das an seinem unteren Ende ausgebildete Fluidsteuermittel ist vorgesehen,
um entweder den über
den Fluidkühler 14 geführten Teilstrom, oder
den über
die Bypass-Leitung 20 geführten Teilstrom zu sperren
oder ein bestimmtes Mischungsverhältnis zwischen diesen beiden
Teilströmen
festzulegen. Hierzu weist der als Fluidsteuermittel 19 ausgebildete
Teil des Steuerzylinders 25 eine erste umlaufende Dichtfläche 56.
Weiterhin weist der Steuerzylinder an seinem gegenüber liegenden
oberen Ende eine zweite umlaufende Dichtfläche 57 auf. Die umlaufenden
Dichtflächen 56 und 57 sind
derart ausgebildet und bemessen, dass sie fluiddicht gegen die Wandung
der zentralen Bohrung 46 abdichten. Dabei verhindert die
zweite umlaufende Dichtfläche 57 das Austreten
von Öl.
Die erste umlaufende Dichtfläche 56 bewirkt
dagegen in einer ersten oder zweiten Endstellung des Steuerzylinders 25 eine,
bis auf einen Leckstrom, völlige
Absperrung entweder des über den
Fluidkühler 14 geführten Teilstroms
oder des über
die Bypass-Leitung 20 geführten Teilstroms.
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Die Verschiebung des Steuerzylinders 25 zwischen
den genannten Endpositionen bzw. auch in Zwischenpositionen geschieht
dabei wie folgt. Zunächst
ist der Steuerzylinder
25 durch eine im zentralen Ventilinnenraum 53 angeordnete
Spiralfeder 58 unter Vorspannung in eine obere, hier den über den Fluidkühler 14 geführten Teilstrom
absperrende Position gedruckt. Eine Verschiebung des Steuerzylinders 25 aus
dieser Endposition kann nun entweder über einen Systemsteuer-Aktuator 15 oder
einen Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator 16 erfolgen.
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Innerhalb des Steuerzylinders 25 ist
das bereits erwähnte
Fluid-Thermoelement 29 befestigt. Innerhalb des Fluid-Thermoelementes 29 ist
der Systemsteuer-Aktuator 15 gelagert, der durch das Fluid-Thermoelement
aktiviert wird. Bei Erwärmung
des Fluid-Thermoelementes 29 dehnt
sich ein darin untergebrachter Stoff aus und schiebt den Systemsteuer-Aktuator 15 aus
dem Fluid-Thermoelement 29 heraus. Der Systemsteuer-Aktuator 15 stützt sich über einen
Verstellkolben 27 gegen eine relativ zum Ventilblock 45 feststehende
Anlagefläche 26 ab,
so dass bei Ausdehnung des im Fluid-Thermoelement 29 untergebrachten
Stoffes der Steuerzylinder 25 insgesamt gegen den Druck
der Spiralfeder 58 in Richtung auf den zentralen Ventilinnenraum 53 bewegt
wird und so einen oberen Ringspalt 59 zwischen dem oberen
Ventilinnenraum 55 und der Ventilkammer 54 freigibt.
Als Folge des Ringspaltes kann nun Kühlfluid vom Fluidkühler 14 in
die Ventilkammer 54 eintreten und wird nach Vermischung
mit Kühlfluid aus
der Bypass-Leitung 20 über
die Zuführleitung 56 in
den Verdichtungsraum 35 des Kompressors 12 geführt. Bewegt
sich der Steuerzylinder 25 weiter in Richtung auf den zentralen
Ventilinnenraum 53, vergrößert sich der obere Ringspalt 59,
wobei gleichzeitig ein entsprechender unterer Ringspalt 60 zwischen der
Ventilkammer 54 und dem zentralen Ventilinnenraum 53 stetig
kleiner wird. Die Folge ist, dass ein immer größerer Teilstrom vom Fluidkühler 14 und gleichzeitig
in immer kleinerer Fluidstrom aus der Bypass-Leitung 20 in die Ventilkammer 54 eintreten kann.
Schiebt sich der Steuerzylinder 25 noch weiter auf den
zentralen Ventilinnenraum 53 hin zu, so schließt die erste
umlaufende Dichtfläche 56 den
unteren Ringspalt 60, wobei die erste umlaufende Dichtfläche 56 mit
der Wandung der zentralen Bohrung 46 erneut dichtend in
Kontakt kommt.
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Unabhängig vom Systemsteuer-Aktuator 15 kann
der Steuerzylinder 25 auch durch den bereits erwähnten Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator 16 wie folgt
verschoben werden. Ein Außenluft-Thermoelement 18 ist
in einem Ventildeckel 61 axial zum Systemsteuer-Aktuator 15 angeordnet,
wobei der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator 16 zur Ventilkammer 54 weisend
dem Systemsteuer-Aktuator 15 zugewandt innerhalb des Außenluft-Thermoelements 18 verschieblich
gelagert ist. Auch im Außenluft-Thermoelement
ist ein sich unter Temperaturerhöhung ausdehnender
Stoff untergebracht, der bei Ausdehnung ein Herausschieben des Sommer-/Winterbetriebs-Aktuators 16 bewirkt.
Das Außenluft-Thermoelement 18 ist
entweder direkt im Kontakt mit Umgebungsluft oder erhält eine
für die
Umgebungsluft näherungsweise
repräsentative
Temperaturbeaufschlagung. Innerhalb des Ventildeckels 61 ist
axial zum Sommer-/Winterbetriebs-Aktuators 16 und
dem Systemsteuer-Aktuator 15 weiterhin eine Steuerkrone 62 verschieblich
gelagert. Die Steuerkrone 62 weist vorzugsweise mehrere
Stege 63 auf die durch zugeordnete Ausnehmungen 64 in
einer die zentralen Bohrung 46 des Ventilblocks 45 abdeckende
Deckplatte 65 hindurch treten. Über die Deckplatte 65 ist
der Ventildeckel 61 mit dem Ventilblock 45 verbunden.
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In der in 2 dargestellten Position des Steuerzylinders 25 stehen
die distalen Enden der Stege 63 in Anlage mit dem Steuerzylinder 25.
Der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator 16 liegt
von der anderen Seite her über
einen Verstellkolben 28 an der Steuerkrone 62 an.
Bei Erwärmung
des im Außenluft-Thermoelement 18 untergebrachten
Stoffes wird der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator 16 aus dem
Außenluft-Thermoelement
in Richtung auf die Ventilkammer 54 herausgedrückt und
drückt
dabei über
die Steuerkrone 62 auf den Steuerzylinder 25. Dabei
wird über
das einstückig
am Steuerzylinder 25 angeordnete Fluid-Steuermittel 19 der
obere Ringspalt 49 – unter
gleichzeitiger Verminderung des unteren Ringspaltes 60 – geöffnet. Infolge
dessen fließt vermehrt
Kühlfluid über den
Fluidkühler 14,
wobei gleichzeitig der über
die Bypass-Leitung 20 geführte Teilstrom verringert wird.
Wenn sich aufgrund noch höherer
Temperaturen der im Außenluft-Thermoelement 18 untergebrachte
Stoff noch weiter ausdehnt, wird über den Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator 16 die
Steuerkrone 62 und damit der Steuerzylinder 25 noch
weiter nach unten, d.h. auf den zentralen Ventilinnenraum 53 hin
verschoben und kann schließlich in
eine Endstellung gelangen, in der der untere Ringspalt 60 verschlossen
ist, so dass kein Teilstrom mehr über die Bypass-Leitung 20 geführt wird.
In dieser Position ist die Wirkung des Systemsteuer-Aktuators 15 völlig ausgeschaltet.
-
In Zwischenpositionen gibt der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator 16 lediglich
eine Mindestposition für
die Breite des oberen Ringspaltes 59, d.h. für die Menge
des über
den Fluidkühler 14 geführten Teilstroms
vor. Sollte sich das Kühlfluid
allerdings derart erwärmen,
dass der Systemsteuer-Aktuator 15 soweit aus dem Fluid-Thermoelement 29 herausgedrückt wird,
dass er eine Kraft auf die Anlagefläche 26 ausübt, wird
sich der Steuerzylinder 25 weiter in Richtung auf den zentralen
Ventilinnenraum 53 bewegen und so den oberen Ringspalt 59 noch
weiter vergrößern. Der
Systemsteuer-Aktuator 15 ist allerdings nicht in der Lage,
die Breite des vom Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator 16 vorgegebenen
oberen Ringspalt 59 zu verkleinern.
-
In 3 ist
eine alternative Ausführungsform einer
Ventileinheit für
eine Anordnung zur Steuerung des Kühlfluidstroms nach der Erfindung
dargestellt. Die beiden Ausführungsformen
unterscheiden sich im wesentlichen dadurch, dass der Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator 16 bei
der Ausführungsform
nach 3 nicht von einem
Außenluft-Thermoelement 18 beaufschlagt
wird, sondern eine manuelle Betätigungseinrichtung,
im vorliegenden Fall konkret ein Handhebel 17, umfasst,
der über
eine Betätigungswelle 22 und
einem integral an der Betätigungswelle 22 ausgebildeten
Exzenter 23 – beispielsweise
bei einer 120-Verdrehung der Betätigungswelle 22 – in ähnlicher
Weise wie die Stege 63 der Steuerkrone 62 auf
den Steuerzylinder 25 einwirkt.
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Konkret ist der Ventilblock 45 bei
der Ausführungsform
nach 3 etwas länger ausgeführt und weist
eine vierte seitliche Bohrung 66, welche die zentrale Bohrung 46 quert,
und auf einer Seite der zentralen Bohrung 46 eine Durchgangsöffnung und auf
der gegenüber
liegenden Seite eine Sackbohrung definiert. In diese vierte seitliche
Bohrung 66 ist die Betätigungswelle 22 oberhalb
des Steuerzylinders 25 eingeschoben. Die Betätigungswelle 22 wird mittels
einer Lagerscheibe 67 in der Bohrung 66 gehalten.
Der Exzenter 23 an der Betätigungswelle 22 ist
durch zwei Exzenterabschnitte 68, 69 definiert,
die zu beiden Seiten einer umlaufenden Nut 70 liegen. Die
umlaufende Nut 70 definiert bei der hier vorliegenden Ausführungsform
die Anlagefläche 26 für den Verstellkolben 27 des
Systemsteuer-Aktuators 15 und zeichnet sich dadurch aus,
dass die Position dieser Anlagefläche bei Betätigung der Betätigungswelle 22 konstant
bleibt. Während
die durch die umlaufende Nut 70 definierte Anlagefläche 26 in
ihrer Höhenposition
bei Drehen der Betätigungswelle 22 konstant
bleibt, schieben die Exzenterabschnitte 68, 69 den
Steuerzylinder 25 in Richtung auf den zentralen Ventilinnenraum 43,
so dass sich der obere Ringspalt 59 je nach Dimensionierung
der Exzentrizität
der Exzenterabschnitte 68, 69 vergrößert. In
der vorliegenden Ausführungsform
ist bei einer 120-Verdrehung
der Betätigungswelle 22 der
untere Ringspalt 60 geschlossen, so dass in der über die
Bypass-Leitung geführte
Teilstrom gesperrt ist. Die Wirkung des Systemsteuer-Aktuators 15 ist
in dieser Endposition ebenfalls ausgeschaltet.
-
Bei entsprechender Gestaltung der
Exzenterabschnitte 68, 69 sowie bei Vorsehen entsprechender
weiterer Einrastpositionen können
mit der Betätigungswelle 22 aber
auch definierte Zwischenpositionen eingestellt werden.
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In 4 ist
die Ausführungsform
einer Ventileinheit nach 3 in
einer zweiten Position dargestellt, wobei hier der um 120° verschwenkte
Handhebel 17 nicht dargestellt ist. In der in 4 dargestellten Position
ist der obere Ringspalt 59 völlig geöffnet, wobei. gleichzeitig
der untere Ringspalt 60 durch das Steuerelement 24 verschlossen
ist. Die Anlagefläche 26 des
Exzenters 23 der Betätigungswelle 22 drückt den
Steuerzylinder 25 und damit das Steuerelement 24 gegen
die Spiralfeder 58, so dass der obere Ringspalt 59 geöffnet und
der untere Ringspalt 60 verschlossen wird. Der Verstellkolben 27 des
Systemsteueraktuators 15 stützt sich in der gezeigten Darstellung
nicht mehr gegen die Anlagefläche 26 der
Betätigungswelle 22 ab,
so dass der Systemsteueraktuator 15 in der gezeigten Position
keinen Einfluss auf das Steuerelement 24 mehr ausübt. Bei
der hier vorliegenden Ausführungsform
gilt dies selbst dann, wenn der Verstellkolben 27 vollständig aus dem
Fluidthermoelement 29 ausgefahren ist, so dass nicht nur
für ein
bestimmtes Temperaturregime, sondern eine von der Temperatur des
Kühlfluids
unabhängige
Vorrangschaltung realisiert ist. Je nach Dimensionierung des Exzenters 23 mit
den Exzenterabschnitten 68, 69 sowie der umlaufenden
Nut 70 kann aber auch eine Vorrangschaltung realisiert
werden, in der in bestimmten Bereichen der Kühlfluidtemperatur der Verstellkolben 27 des
Systemsteueraktuators 15 noch eine Steuerwirkung auf das
Steuerelement 24 übertragen
kann.
-
- 11
- Kühlfluideingang
- 12
- Kompressor
- 13
- Kühlfluidausgang
- 14
- Fluidkühler
- 15
- Systemsteuer-Aktuator
- 16
- Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator
- 17
- manuelle
Betätigungseinrichtung,
Handhebel
- 18
- Außenluft-Thermoelement
- 19
- Fluidsteuermittel
- 20
- Bypass-Leitung
- 21
- Kühlerleitung
- 22
- Betätigungswelle
- 23
- Exzenter
- 24
- Steuerelement
- 25
- Steuerzylinder
- 26
- Anlagefläche
- 27
- Verstellkolben
(Systemsteuer-Aktuator)
- 28
- Verstellkolben
(Sommer-/Winterbetriebs-Aktuator)
- 29
- Fluid-Thermoelement
- 30
- Anordnung
zur Steuerung des Kühlfluidstroms
- 31
- Kompressoranlage
- 32
- Antriebswelle
- 33
- Ansaugfilter
- 34
- Ansaugstutzen
- 35
- Verdichtungsraum
- 36
- Zuführleitung
- 37
- Kühlfluid-/Prozessfluidleitung
- 38
- Fluidabscheider
- 39
- Ausgabeleitung
- 40
- Rückführleitung
- 41
- erster
Knotenpunkt
- 42
- zweiter
Knotenpunkt
- 43
- Ventileinheit
- 44
- Ölfilter
- 45
- Ventilblock
- 46
- zentrale
Bohrung
- 47
- erste
seitliche Bohrung
- 48
- zweite
seitliche Bohrung
- 49
- dritte
seitliche Bohrung
- 50
- oberer
Abschnitt
- 51
- mittlerer
Abschnitt
- 52
- unterer
Abschnitt
- 53
- zentraler
Ventilinnenraum
- 54
- Ventilkammer
- 55
- oberer
Ventilinnenraum
- 56
- erste
umlaufende Dichtfläche
- 57
- zweite
umlaufende Dichtfläche
- 58
- Spiralfeder
- 59
- oberer
Ringspalt
- 60
- unterer
Ringspalt
- 61
- Ventildeckel
- 62
- Steuerkrone
- 63
- Stege
- 64
- Ausnehmungen
(für Stege)
- 65
- Deckplatte
- 66
- vierte
seitliche Bohrung
- 67
- Lagerscheibe
- 68,
69
- Exzenterabschnitte
- 70
- umlaufende
Nut