DE102009020925A1 - Compressor with piston dummy - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verdichter, aufweisend eine in dem Kolbenraum verschiebbare, als Kolben fungierende Flüssigkeit, beschrieben. Erfindungsgemäß ist in der Flüssigkeit (3) ein mit ihr verschiebbarer Kolbendummy (5) angeordnet. Dieser Kolbendummy (5) ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass er bei Erreichen des oberen Totpunktes eine Beschleunigung der Flüssigkeit (3) in dem von ihm und der Kolbenraumwand definierten Ringspalt bewirkt.It is a compressor, comprising a displaceable in the piston chamber, acting as a piston liquid described. According to the invention, a piston dummy (5) which can be displaced with it is arranged in the liquid (3). This piston dummy (5) is preferably designed such that it causes an acceleration of the liquid (3) in the annular gap defined by it and the piston chamber wall when the top dead center is reached.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, aufweisend eine in dem Kolbenraum verschiebbare, als Kolben fungierende Flüssigkeit bzw. Flüssigkeitssäule.The The invention relates to a compressor, comprising one in the piston chamber displaceable, acting as a piston liquid or Liquid column.

Gattungsgemäße Verdichter, die der Verdichtung von gasförmigen Medien, wie beispielsweise Wasserstoff und Erdgas, bis zu Drücken von 1000 bar dienen, werden auch als kolbenloser Verdichter bezeichnet, da innerhalb des Kolbenraumes bzw. Zylinders kein herkömmlicher Kolben, sondern eine Flüssigkeit bzw. Flüssigkeitssäule verschiebbar angeordnet ist. Ein derartiger Verdichter ist beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung 10 2004 046 316 bekannt.Generic compressors that serve the compression of gaseous media such as hydrogen and natural gas, up to pressures of 1000 bar, are also referred to as a piston-free compressor, as disposed within the piston chamber or cylinder no conventional piston, but a liquid or liquid column slidably is. Such a compressor is for example from the German patent application 10 2004 046 316 known.

Die in derartigen Verdichtern verwendete Flüssigkeit ist vorzugsweise eine ionische Flüssigkeit, da sich diese zum einen in dem zu verdichtenden Medium nicht löst und zum anderen von dem zu verdichtenden Medium rückstandsfrei abgetrennt werden kann. Grundsätzlich können jedoch auch andere Flüssigkeiten zur Anwendung kommen, beispielsweise schwer siedende Hydrauliköle, Vakuumöle oder andere schwer siedende Flüssigkeiten mit niedriger Mediumslösung.The Liquid used in such compressors is preferred an ionic liquid, as this one in the does not dissolve to be compacted medium and on the other of be separated without residue to the medium to be compressed can. In principle, however, others can Liquids are used, such as heavy boiling hydraulic oils, vacuum oils or other heavy boiling liquids with low medium solution.

Die Kühlung gattungsgemäßer Verdichter erfolgt bisher durch die verwendete Hydraulikflüssigkeit selbst. Sollte durch sie keine ausreichende Kühlwirkung erreicht werden können, wird im Regelfall zusätzlich eine Außenkühlung, beispielsweise in Form eines Kühlmantels, realisiert.The Cooling generic compressor takes place previously by the hydraulic fluid used itself. Should not achieve sufficient cooling effect through them will usually be in addition to one External cooling, for example in the form of a cooling jacket, realized.

Um einen ungewollten Austritt der Flüssigkeit mit dem verdichteten Medium über das Druckventil und/oder eine möglichst gute Totraumoptimierung gewährleisten zu können, wird bisher danach getrachtet, die Oberfläche der Flüssigkeit möglichst glatt zu halten. Dadurch werden jedoch der Wärmeübergang und damit die Kühlwirkung auf die Oberflächenberührung reduziert. Dies hat zur Folge, dass der heißeste Teil des Verdichters – dies ist der Bereich des Kolbenraumes, in dem der obere Totpunkt liegt – am wenigsten gekühlt wird. Von Nachteil ist jedoch, dass insbesondere die Hitzeentwicklung im oberen Totpunkt des Verdichters den thermischen Wirkungsgrad des Verdichtungsprozesses verringert.Around an unwanted escape of the liquid with the compacted Medium via the pressure valve and / or a possible to ensure good dead space optimization, is so far sought after, the surface of the liquid keep as smooth as possible. This, however, the heat transfer and thus the cooling effect on the surface contact reduced. As a result, the hottest part of the Compressor - this is the area of the piston chamber, in the top dead center is - least cooled becomes. The disadvantage, however, is that in particular the heat in the top dead center of the compressor, the thermal efficiency the compression process is reduced.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Verdichter anzugeben, bei dem die Kühlleistung bzw. -wirkung insbesondere im Bereich des oberen Totpunktes verbessert und dadurch der Wirkungsgrad des Verdichters erhöht werden kann.task The present invention is a generic Specify compressor, in which the cooling capacity or effect improved especially in the area of top dead center and thereby the efficiency of the compressor can be increased.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßer Verdichter, aufweisend eine in dem Kolbenraum verschiebbare, als Kolben fungierende Flüssigkeit, vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Flüssigkeit ein mit ihr verschiebbarer Kolbendummy angeordnet ist.to Solution of this problem is a generic Compressor, having a displaceable in the piston chamber, as Piston acting liquid, proposed by the is characterized in that in the liquid with it slidable piston dummy is arranged.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verdichters, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass

  • – der Kolbendummy derart ausgebildet ist, dass er bei Erreichen des oberen Totpunktes eine Beschleunigung der Flüssigkeit in dem von ihm und der Kolbenraumwand definierten Ringspalt bewirkt,
  • – die Unterseite des Kolbendummys derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkeit im Bereich der Kolbendummy-Unterseite gehalten oder beschleunigt wird,
  • – der Kolbendummy ein- oder mehrstückig ausgebildet ist und
  • – die Flüssigkeit zumindest teilweise eine ionische Flüssigkeit ist.,
Further advantageous embodiments of the compressor according to the invention, which constitute subject matters of the dependent claims, are characterized in that
  • - The piston dummy is designed such that it causes acceleration of the liquid in the annular gap defined by him and the piston chamber wall when reaching the top dead center,
  • The underside of the piston dome is designed such that the fluid is held or accelerated in the region of the piston dummy underside,
  • - The piston dummy one or more pieces is formed and
  • - The liquid is at least partially an ionic liquid.,

Der erfindungsgemäße Verdichter sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.The compressor according to the invention and further advantageous embodiments thereof are described below with reference to the in the 1 to 3 illustrated embodiment explained in more detail.

Die 1 bis 3 zeigen eine seitliche, nicht maßstabsgerechte Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters, wobei die 1 die Situation zu Beginn eines Verdichtungstaktes, die 2 die Situation am Ende eines Verdichtungstaktes und die 3 die Situation während des Ansaugtaktes zeigt.The 1 to 3 show a lateral, not to scale sectional view through a possible embodiment of the compressor according to the invention, wherein the 1 the situation at the beginning of a compression stroke, the 2 the situation at the end of a compression stroke and the 3 shows the situation during the intake stroke.

Der erfindungsgemäße Verdichter weist einen Kolben 1, der einen Kolbenraum 2 definiert, auf. Innerhalb des Kolbenraumes 2 ist eine eine Flüssigkeitssäule bildende Flüssigkeit 3, bei der es sich vorzugsweise um eine ionische Flüssigkeit handelt, angeordnet. Mittels geeigneter Maßnahmen – in den 1 bis 3 dargestellt durch einen Hydraulikkolben 4 – wird die Flüssigkeitssäule 3 innerhalb des Kolbenraumes 2 auf- und abbewegt. Am Zylinderkopf sind ferner wenigstens ein Ansaugventil 6 sowie wenigstens ein Druckventil 7 vorgesehen.The compressor according to the invention has a piston 1 who has a piston room 2 defined, up. Inside the piston chamber 2 is a liquid column forming liquid column 3 which is preferably an ionic liquid. By means of appropriate measures - in the 1 to 3 represented by a hydraulic piston 4 - becomes the liquid column 3 within the piston chamber 2 moved up and down. On the cylinder head are also at least one intake valve 6 and at least one pressure valve 7 intended.

Erfindungsgemäß ist nun innerhalb der Flüssigkeit 3 ein ein- oder mehrstückig ausgebildeter Kolbendummy 5 angeordnet. Dieser Kolbendummy 5 wird von der Flüssigkeit 3 umspült, so dass ggf. vorzusehende Dichtungen des Hydraulikkolbens 4 zu jeder Zeit mit der Flüssigkeit 3 in Berührung sind. Der Kolbendummy 5 weist in vorteilhafter Weise zumindest annähernd die Form des Zylinders bzw. Kolbenraumes 2 auf. Der Kolbenraum 2 besitzt vorzugsweise eine strömungs- und/oder kühltechnisch optimierte Innenkontur. Auch die vorgenannten Saug- 6 und Druckventile 7 sind in vorteilhafter Weise derart angeordnet, dass sie den Kühlprozess unterstützen. Des Weiteren ist die Unterseite des Kolbendummys 5 vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Flüssigkeit 3 im Bereich der Kolbendummy-Unterseite gehalten oder beschleunigt wird.According to the invention is now within the liquid 3 a one-piece or multi-piece trained piston dummy 5 arranged. This piston dummy 5 gets from the liquid 3 lapped, so that possibly provided seals the hydraulic piston 4 at any time with the liquid 3 are in contact. The piston dummy 5 advantageously has at least approximately the shape of the cylinder or piston chamber 2 on. The piston chamber 2 preferably has a flow and / or cooling technically optimized inner contour. Also the aforementioned suction 6 and pressure valves 7 are in such an advantageous manner ordered that they support the cooling process. Furthermore, the bottom of the piston dummies 5 preferably designed such that the liquid 3 held or accelerated in the area of the piston dummy bottom.

Während eines Verdichtungstaktes, wie er in den 1 und 2 dargestellt ist, wird die Flüssigkeit 3 gemeinsam mit dem Kolbendummy 5 nach oben bewegt. Da die Kontur des Kolbendummys 5 dem Kopfbereich des Kolbeninnenraumes angepasst ist, wird bei der Annäherung des Kolbendummys 5 an den oberen Totpunkt eine Beschleunigung der Flüssigkeit 3 in dem von dem Kolbendummy 5 und der Kolbenraumwand definierten Ringspalt 8 erreicht. Diese Beschleunigung der Flüssigkeit 3 hat zur Folge, dass die Flüssigkeit 3 länger als bei den zum Stand der Technik zählenden Verdichterkonstruktionen mit dem zu kühlenden Zylinderkopf in Berührung kommt. Aufgrund der Beschleunigung der Flüssigkeit 3 im Ringspalt 8 kommt es zudem zur Ausbildung einer turbulenten Strömung in der Flüssigkeit 3, die eine zusätzliche Kühlwirkung zur Folge hat.During a compression stroke, as in the 1 and 2 is shown, the liquid 3 together with the piston dummy 5 moved upwards. Because the contour of the piston dummies 5 the head portion of the piston interior is adjusted, when approaching the piston dummies 5 at the top dead center, an acceleration of the liquid 3 in the one of the piston dummy 5 and the piston chamber wall defined annular gap 8th reached. This acceleration of the liquid 3 has the consequence that the liquid 3 longer than in the state of the art scoring compressor constructions with the cylinder head to be cooled comes into contact. Due to the acceleration of the liquid 3 in the annular gap 8th In addition, there is the formation of a turbulent flow in the liquid 3 , which has an additional cooling effect.

Im Regelfall wird bei Erreichen des oberen Totpunktes ein Teil der Flüssigkeit 3 gemeinsam mit dem verdichteten Medium über das Druckventil 7 aus dem Kolbenraum 2 gefördert. Dabei handelt es sich um die oberste und damit heißeste Schicht der Flüssigkeitssäule.As a rule, when reaching the top dead center, a part of the liquid 3 together with the compressed medium via the pressure valve 7 from the piston chamber 2 promoted. It is the highest and therefore hottest layer of the liquid column.

Nach dem Schließen des Druckventils 7 und zu Beginn der Abwärtsbewegung der Flüssigkeitssäule 3 sowie des Kolbendummys 5 schießt der in dem oberen Bereich des Kolbenraumes 2 verbleibende Rest der beschleunigten Flüssigkeit erneut am oberen Teil des Zylinderkopfes vorbei, woraus eine zusätzliche Erhöhung der gewünschten Kühlwirkung resultiert.After closing the pressure valve 7 and at the beginning of the downward movement of the liquid column 3 as well as the piston dummies 5 shoots in the upper area of the piston chamber 2 remaining remainder of the accelerated liquid again past the upper part of the cylinder head, resulting in an additional increase in the desired cooling effect.

Im Falle einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorzusehenden Kolbendummys 5 verbleibt die oberste Schicht der Flüssigkeit 3 auf dem Kolbendummy 5. Dieser Effekt tritt insbesondere bei ionischen Flüssigkeiten auf, da die beschleunigte Flüssigkeitsmenge nicht mehr in die Flüssigkeitsoberfläche eintauchen kann. Dieses Verhalten ist jedoch gewünscht, da beim darauf folgenden Verdichtungshub genau diese (heiße) Flüssigkeitsmenge über das Druckventil 7 aus dem Kolben 1 bzw. Kolbenraum 2 abgeführt wird.In the case of a favorable embodiment of the invention to be provided piston dummies 5 the uppermost layer of the liquid remains 3 on the piston dummy 5 , This effect occurs especially with ionic liquids, since the accelerated amount of liquid can no longer dip into the surface of the liquid. This behavior is desirable, however, because in the subsequent compression stroke exactly this (hot) amount of liquid via the pressure valve 7 from the piston 1 or piston chamber 2 is dissipated.

Es ist offensichtlich, dass die Form des Kolbendummys 5 im Wesentlichen von der Form des Kolbeninnenraumes 2 in seinem oberen Bereich bestimmt wird. Grundsätzlich ist jedoch in der Praxis eine Vielzahl unterschiedlichster Kolbendummyformen realisierbar.It is obvious that the shape of the piston dumbbell 5 essentially of the shape of the piston interior 2 is determined in its upper area. Basically, however, a variety of different piston dummy forms can be realized in practice.

Mittels des erfindungsgemäßen Verdichterkonzeptes wird eine bessere Kühlung des Kolben- bzw. Zylinderkopfes, insbesondere im Bereich des oberen Totpunktes, erreicht. Dies hat eine Verringerung der Verdichtungstemperatur und damit der benötigten Verdichtungsenergie zur Folge. Somit erhöht sich der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verdichters im Vergleich zu einem ansonsten identischen Verdichter, bei dem auf den erfindungsgemäß vorzusehenden Kolbendummy verzichtet wird.through the compressor concept according to the invention is a better cooling of the piston or cylinder head, in particular in the area of top dead center. This has a reduction the compression temperature and thus the required compaction energy result. Thus, the efficiency of the compressor according to the invention increases compared to an otherwise identical compressor in which on the piston dummy to be provided according to the invention is waived.

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  • - DE 102004046316 [0002] - DE 102004046316 [0002]

Claims (5)

Verdichter, aufweisend eine in dem Kolbenraum verschiebbare, als Kolben fungierende Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass in der Flüssigkeit (3) ein mit ihr verschiebbarer Kolbendummy (5) angeordnet ist.Compressor comprising a liquid which can be displaced in the piston chamber and acts as a piston, characterized in that in the liquid ( 3 ) a displaceable piston dummy ( 5 ) is arranged. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbendummy (5) derart ausgebildet ist, dass er bei Erreichen des oberen Totpunktes eine Beschleunigung der Flüssigkeit (3) in dem von ihm und der Kolbenraumwand definierten Ringspalt bewirkt.Compressor according to claim 1, characterized in that the piston dummy ( 5 ) is designed in such a way that upon reaching the top dead center, it accelerates the liquid ( 3 ) in the annular gap defined by it and the piston chamber wall. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite des Kolbendummys (5) derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkeit (3) im Bereich der Kolbendummy-Unterseite gehalten oder beschleunigt wird.Compressor according to claim 1 or 2, characterized in that the underside of the piston dumbbell ( 5 ) is designed such that the liquid ( 3 ) is held or accelerated in the area of the piston dummy underside. Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbendummy (5) ein- oder mehrstückig ausgebildet ist.Compressor according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the piston dummy ( 5 ) is formed in one or more pieces. Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (3) zumindest teilweise eine ionische Flüssigkeit ist.Compressor according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the liquid ( 3 ) is at least partially an ionic liquid.
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