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Die Erfindung betrifft einen Verdichter mit einem Lamellenventil.
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Verdichter bzw. Kompressoren werden in verschiedenen Applikationen der Kälte- und Klimatechnik oder beispielsweise auch zur Erzeugung von Druckluft eingesetzt. Wichtige Anwendungen sind zum Beispiel die Kühlung von Obst, Gemüse und Fleisch entlang der gesamten Lieferkette (Schlachthof, Kühlfahrzeug, Lager, Supermarkt) oder die Prozessautomatisierung mittels Pneumatik. Auch in der Prozesskühlung im verarbeitenden Gewerbe und der chemischen Industrie werden diese Verdichter in großen Stückzahlen eingesetzt. Am Ein- und Ausgang eines (Hubkolben-)Verdichters befinden sich immer Ventile, die den Verdichtungsraum schließen und erst am Ende des Verdichtervorgangs das komprimierte Gas in den Hochdruckbereich des (Kälte-)Kreises ausströmen lassen. Diese Ventile sind häufig als Lamellenventile mit einer Ventilplatte ausgebildet, wobei die Ventilplatte mit dem Verdichtungsraum in Verbindung stehende Durchlasskanäle aufweist, die mittels flexibler Lamellen verschlossen und/bzw. freigegeben werden.
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Bei den Lamellen handelt es sich um biegbare, metallische Federelemente, die ggf. mit einer bestimmten mechanischen Vorspannung ausgebildet sind und die sich bei ausreichendem Druck elastisch verformen und das Ventil öffnen. Die ordnungsgemäße Funktion der Lamellen ist für den Betrieb des Verdichters von essentieller Bedeutung. Wenn die Lamellen nicht dicht schließen, kann die Verdichtung des Mediums (beispielsweise Luft oder Kältemittel) nicht ausreichend erfolgen und das Medium strömt durch den engen Spalt am Ventil kontinuierlich aus. Dann arbeitet der Verdichter nicht mehr energieeffizient und kann die erforderliche Leistung nicht erbringen. Außerdem besteht die Gefahr, dass die Lamellen beschädigt werden. Dies kann beispielsweise durch in den Zylinder des Verdichters eingetretenes flüssiges Kältemittel hervorgerufen werden.
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Yoshizumi F., Kondoh Y., Moroi T., Tamano S., Morinishi Y., „Simulation of the opening delay by the oil film stiction in the compressor valve“, FED, 21.12.2016, JSME beschreibt eine Untersuchung zur Simulation der Öffnungsverzögerung durch die Ölfilmhaftung in Kompressorventilen. In einem experimentellen Aufbau wurde das dabei verwendete Lamellenventil mit 12 Dehnmessstreifen verstehen, um eine Zustandsgröße der Lamelle zu ermitteln.
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Weitere Untersuchungen mit Lamellen von Kompressoren, die mit Dehnmessstreifen ausgestattet wurden sind durch Wang T., He Z., Guo J., Peng X., „Investigation of the Thermodynamic Process of the Refrigerator Compressor Based on the m-Θ Diagram“, Engines, Volume 10, 1 October 2017, Issue 10, MDPI und durch Nagata S., Nozaki T., Akizawa T., „Analysis of Dynamic Behavior of Suction Valve Using Strain Gauge in Reciprocating Compressor“, International Compressor Engineering Conference, July 12-15, 2010, July 2010, Paper 1979, Purdue University e-Pubs, bekannt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die vorbeugende Wartung und Instandsetzung effizienter bzw. die Regelung des Verdichters optimierter und kostengünstiger durchführen zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Verdichter weist wenigstens einen Verdichtungsraum, in dem ein Gas verdichtet wird und ein Lamellenventil mit einer Ventilplatte auf, wobei die Ventilplatte wenigstens einen mit dem Verdichtungsraum in Verbindung stehenden Durchlasskanal vorsieht und das Lamellenventil wenigstens eine flexible Lamelle zum Verschließen und Freigeben des Durchlasskanals aufweist. Weiterhin weist die Lamelle wenigstens einen Sensor zur Ermittlung einer Zustandsgröße der Lamelle und/oder des Verdichtungsraums auf, wobei der wenigstens eine Sensor mit wenigstens einem Teil einer Steuer- und/oder Auswertungselektronik verbunden ist, die im Inneren des Verdichters angeordnet ist.
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Auf diese Weise können die Lamellen der Ventile überwacht werden, um Schäden und Fehler des Verdichters in der Entstehung zu entdecken. Außerdem können durch die Sensorik an den Lamellen wertvolle Prozessparameter, wie die Endtemperatur der Verdichtung oder die mechanische Bewegung im Verdichter gemessen und zu einer optimierten Steuerung und Regelung des Verdichters eingesetzt werden.
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Durch die zusätzlichen Messwerte der Lamelle bzw. des Verdichtungsraums kann ein detailliertes Zustandsbild ermittelt werden. Hieraus und ggf. in Verbindung mit Vergleichsdaten anderer Verdichter kann die prädiktive Bewertung und Vorhersage entstehender Fehler verbessert werden. Die Wartung bzw. Instandsetzung kann daher zielgerichteter durchgeführt werden.
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Erfindungsgemäß werden die gemessenen Zustandsgrößen in einer Steuer- und/oder Auswertungselektronik verarbeitet, die zumindest zum Teil innerhalb des Verdichters angeordnet ist. Vorzugsweise wird die Elektronik im Innenraum des Verdichters integriert, wodurch neben den gemessenen Zustandsgrößen der an den Lamellen angebrachten Sensoren auch die schon heute verwendeten Temperatursensoren in einer Motorwicklung des Verdichters oder andere Messsignale, wie beispielsweise die eines Ölstandssensors eingelesen werden könnten.
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Die Unterbringung der Elektronik unmittelbar im Verdichter hat zudem den entscheidenden Vorteil, dass keine zusätzliche Durchführungen für Signal- und/oder Energieleitungen in und aus dem Verdichter erforderlich sind. Hierfür werden üblicherweise Glas-Metall-Durchführungen verwendet, damit das Kältemittel nicht aus dem Verdichter entweichen kann. Jeder Pin an der Durchführung ist jedoch teuer und zusätzliche Pins würden auch in die mechanische Konstruktion des Verdichters eingreifen, weil die Durchführung dann mehr Platz benötigen würde. Um die Vorteile von Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge auch in der Kälte- und Klimatechnik nutzen zu können, ist es daher wünschenswert, dass die zusätzlich gemessenen Daten über die bestehenden Kontakte geführt werden können.
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Eine Möglichkeit dies zu realisieren besteht darin, eine zweigeteilte Elektronik vorzusehen, von der ein Teil der Steuer- und/oder Auswerteelektronik im Inneren des Verdichters angeordnet ist und der andere Teil in einen Schaltschrank außerhalb des Verdichters eingebaut wird. Beide Teile können dann über ein digitales Protokoll, das insbesondere auch die Erfordernisse der funktionalen Sicherheit erfüllen, miteinander kommunizieren. Ein solches Protokoll ist beispielsweise in der
DE 10 2016 108 506 B3 beschrieben.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden eine bzw. mehrere Ventillamellen mit wenigstens einem Sensor versehen. Dieser wird insbesondere durch einen Temperatursensor und/oder einen Biegungs- oder Dehnungssensor gebildet. Des Weiteren wäre es denkbar, dass die Lamellen mit einem Drucksensor bestückt werden. Mit derartigen Sensoren können sowohl die mechanische Biegung der Lamelle, die sich aufgrund der eingestellten Vorspannung, der Druckverhältnisse, der Materialeigenschaften und/oder der Geometrie der Lamelle einstellt und die Temperatur der Lamelle gemessen werden. Die Sensoren werden beispielsweise auf eine Oberfläche der Lamelle, insbesondere auf der dem Durchlasskanal abgewandten Oberfläche der Lamelle aufgebracht. Sie könnten aber auch in die Lamelle integriert werden.
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Die Messungen erfolgen vorzugsweise dynamisch und können dadurch zeitliche Verläufe der ermittelten Zustandsgrößen wiedergeben. Der Temperatursensor könnte beispielsweise durch einen temperaturabhängigen Widerstand, insbesondere durch einen Dünnschicht-Temperatursensor, gebildet werden. Auf die Lamelle wird dafür eine Isolierschicht (beispielsweise SiO2) aufgebracht. Auf diese Isolierschicht wird dann durch Kathodenzerstäubung (Sputtern), Aufdampfen oder ein CVD-Verfahren ein dünner, elektrisch leitfähiger Widerstand, der als Temperatursensor dient, aufgebracht. Die Schichtdicken liegen dabei typischerweise zwischen einigen 100nm und einigen µm Dicke und als Sensormaterial kommen beispielsweise Platin, Nickel-Eisen, Nickel, Iridium, polykristalines Silizium oder andere geeignete Materialien zum Einsatz. Eine andere Ausgestaltung ist ein resistiver Sensor auf Basis eines dünnen Platin- oder Nickeldrahtes (z.B. PT100 oder PT1000), der in ein Isoliermaterial, beispielsweise eine Polyimidfolie oder Phenolharz eingebettet ist und der auf die Lamelle aufgeklebt wird.
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Als Biegung- oder Dehnungssensor kommt insbesondere ein Widerstandsnetzwerk, insbesondere eine Wheatstonesche-Messbrücke oder ein dehnungsabhängiger Widerstand in Betracht. Derartige Netzwerke bzw. Widerstände erfahren aufgrund der Biegung der Lamelle eine Längenveränderung und verändern dadurch ihren Widerstandswert. Sensorelemente können insbesondere als Dehnmessstreifen appliziert werden oder in Dünn- oder Dickschichttechnik aufgebracht werden. Die geometrische Form dieser Widerstände ist beispielsweise mäanderförmig oder in Gestalt einer Rosette ausgebildet. Auch der Biegungs- oder Dehnungssensor kann durch einen dünnen, evtl. gewalzten, Metalldraht, der in ein Isoliermaterial, z.B. eine Polyimidfolie oder Phenolharz eingebettet wird, ausgebildet sein. Ein weiteres Verfahren ist die Dünnschichttechnik, bei der durch thermisches Aufdampfen, Kathodenzerstäubung (Sputtern), CVD-Verfahren (Chemical Vapour Desposition) oder ein anderes Verfahren zur Aufbringung dünner Schichten, eine leitfähige dünne Struktur auf die Lamelle aufgebracht wird.
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Alternativ können die Sensoren (Temperatur, Biegung, Dehnung...) auf die Lamelle auch in Dickschichttechnologie aufgebracht werden. Dabei werden mittels eines Siebdruckverfahrens feinkörnige Gemenge von anorganischen Bestandteilen (Metalle, Metalloxide, Glasfritte, Keramiken,...), die in einem organischen Trägermaterial gelöst sind, auf die Lamelle aufgebracht und bei hohen Temperaturen eingebrannt. Die so entstandenen Strukturen sind typischerweise 5-20µm dick und können wie oben beschrieben als flächiger Widerstand, Mäander, Rosette oder in ähnlichen geometrischen Strukturen ausgebildet sein, um Temperatur, Dehnung oder Biegung zu messen.
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Die Temperatur an der Lamelle spielt eine große Rolle, weil eine zu hohe Verdichtungsendtemperatur das im Fluidkreis befindliche Öl thermisch schädigen kann. Dies wird in der Kältetechnik aktuell immer relevanter, da neue umweltschonende Kältemittel eingeführt werden und die teilfluorierten Kohlenwasserstoffe (HFKW) in den kommenden Jahren schrittweise beschränkt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass mit den neuen Kältemitteln auch die Verdichtungsendtemperaturen steigen werden, sodass Temperatursensoren an den Lamellen auch für die Betriebsweise des Verdichters von großer Bedeutung sein werden.
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Vorzugsweise werden im Inneren des Verdichters Schaltungsteile der Elektronik vorgesehen, die die analogen Signale der verschiedenen Sensoren vorverarbeiten (beispielsweise analog verstärken, filtern und in der Impedanz anpassen) und in einem Mikroprozessor oder AD-Wandler digitalisieren. Wenn an den Mikrocontroller mehrere Sensoren angeschlossen werden (beispielsweise Temperatur und Biegung der Lamelle und die Wicklungstemperatur des Motors), dann ist es vorteilhaft, wenn diese Signale im Mikrocontroller über nur eine digitale Ausgangsschnittstelle im Multiplexverfahren nacheinander ausgegeben werden. Dadurch können Pins an der oben genannten Glas-Metall-Durchführung eingespart werden. Vorzugsweise ist diese Schnittstelle als Stromschnittstelle mit einem ausreichend hohen Ruhestrom (z.B. 4-20mA) ausgeführt, damit die im Verdichter befindliche Schaltung auch über diese Datenschnittstelle gleichzeitig mit Energie versorgt werden kann. Dadurch ist es nicht nötig, große Bauteile wie einen Transformator oder Elektrolytkondensatoren zur Spanungsglättung in einem Netzteil im Verdichter zu integrieren, weil der Bauraum im Inneren der Maschine begrenzt ist. Eine solche zweigeteilte Schutzschaltung für einen Verdichter wurde in der BE
DE 10 2015 116 845 A1 offenbart.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verdichters,
- 2 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Lamellenventils und
- 3 eine schematische Schnittdarstellung im Bereich des Lamellenventils.
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Der in 1 dargestellte Verdichter kommt beispielsweise in der Kälte- und Klimatechnik oder bei einer anderen Applikation für verdichtete Gase (z.B. Erzeugung von Druckluft) zur Anwendung. Er weist ein Gehäuse 1 auf, in dem wenigstens ein Zylinder 2 mit einem zugehörigen Kolben 3 zusammenwirkt, wobei der Kolben 3 über eine Kurbelwelle 4 von einem (Elektro-)Motor 5 angetrieben wird. Das Gehäuse 1 weist ferner einen als Saugstutzen ausgebildeten Verdichtereingang 6 und einen als Druckstutzten ausgebildeten Verdichterausgang 7 auf.
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Zylinder 2 und Kolben 3 begrenzen einen Verdichtungsraum 8, der einen Einlass 9 und einen Auslass 10 aufweist, die mit Hilfe eines Lamellenventils 11 freigegeben bzw. verschlossen werden. So ist dem Einlass 9 insbesondere eine Lamelle 12 und den Auslass 10 eine Lamelle 13 des Lamellenventils 11 zugeordnet.
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In 2 ist das Lamellenventil 11 näher dargestellt. Es weist insbesondere eine Ventilplatte 14 mit mehreren Durchlasskanälen 15, 16 auf. Jeweils ein Durchlasskanal 15 und ein Durchlasskanal 16 sind einem von mehreren Zylindern 2 des Verdichters zugeordnet, wobei einer der Durchlasskanäle 15 mit dem Einlass 9 und einer der Durchlasskanäle 16 mit dem Auslass 10 des Zylinders 2 in Verbindung steht. Auf der in 2 dargestellten Seite der Ventilplatte 14 wirkt jeder der Durchlasskanäle 15 mit einer der Lamellen 12 auf herkömmlicher Art und Weise zusammen. Auf der Rückseite der Ventilplatte 14 wirken die Durchlasskanäle 16 mit Lamellen 13 zusammen. Bei jeder der Lamellen 12, 13 handelt es sich um ein biegbares, metallisches Federelement, welches an einem Ende 12a an der Ventilplatte, insbesondere mit Schraube 17, befestigt ist. Das gegenüberliegende Ende 12b bzw. ein verbleibender Teil dient zum Verschließen und Freigeben des zugehörigen Durchlasskanals 15.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Verdichterzylinders mit Lamellenventil mit einer durchgebogenen Lamelle 12, die den Durchlasskanal 15 frei gibt. Diese Situation tritt ein, wenn sich der Kolben 3 im Zylinder 2 nach unten bewegt. Gleichzeitig wird die zugehörige Lamelle 13 (nicht dargestellt) auf der anderen Seite der Ventilplatte 14 an die Ventilplatte 14 gedrückt und verschließt dabei den zugehörigen Durchlasskanal 16, der mit dem Auslass 10 des Verdichters in Verbindung steht. Bewegt sich anschließend der Kolben 3 wieder nach oben, verschließt die Lamelle 12 den Durchlasskanal 15 und die (nicht dargestellte) Lamelle 13 öffnet den Durchlasskanal 16, um das komprimierte Medium über den Verdichterausgang auszugeben.
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Wenigstens eine der Lamellen 12, 13, vorzugsweise aber alle Lamellen 12, 13 sind jeweils mit wenigstens einem Sensor 18, 19 zur Ermittlung einer Zustandsgröße der Lamellen 12, 13 oder des Verdichtungsraums 8 bestückt (1). Der Sensor 18, 19 kann dabei insbesondere als Temperatursensor 18a und/oder als Biegungs- oder Dehnungssensor 18b ausgebildet sein (2). Eine Ausbildung des Sensors als Drucksensor wäre auch denkbar.
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Im Inneren des Gehäuse 1 des Verdichters ist weiterhin eine Steuer- und/oder Auswertungselektronik 20 untergebracht, wobei der Sensor 18 der Lamelle 12 über eine erste Signalleitung 21 und der Sensor 19 der Lamelle 13 über eine zweite Signalleitungen 22 mit den Eingängen E1 und E2 der Steuer- und/oder Auswertungselektronik 20 zur Übermittlung der Messsignale verbunden sind. Selbstverständlich kann die Steuer- und/oder Auswertungselektronik 20 auch noch weitere Eingänge für Sensoren aufweisen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein weiterer Eingang E3 über eine dritte Signalleitung 24 mit einem Temperatursensor 23 verbunden, der beispielsweise in der Wicklung des Motors 5 angeordnet ist. Die Steuer- und/oder Auswerteelektronik ist über eine im Gehäuse 1 vorgesehene Durchführung 25, die beispielsweise als Glas-Metall-Durchführung ausgebildet ist, mit einem außerhalb des Verdichters angeordneten Schaltschrank oder Klemmkasten verbunden. Durch das Vorsehen der Steuer- und/oder Auswertungselektronik 20 im Inneren des Gehäuse 1, insbesondere in seinem Niederdruckbereich, ist für die zusätzlichen Sensoren 18, 19 keine weitere Durchführung durch das Gehäuse 1 erforderlich, da die verschiedenen Messsignale in der Steuer- und/oder Auswertungselektronik 20 so aufbereitet werden können, dass mit der bestehenden Leitung nach außen kommuniziert werden kann.
