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Die Erfindung betrifft ein Dichtsystem für eine Vorrichtung zum Verdichten eines Fluids, insbesondere eines gasförmigen Fluids. Das Dichtsystem weist mindestens ein Dichtelement und mindestens ein Aufnahmeelement zur Aufnahme des mindestens einen Dichtelements auf. Dabei liegt das Dichtelement wärmeleitend am Aufnahmeelement an. Innerhalb des Aufnahmeelements ist mindestens ein Strömungskanal zum Hindurchleiten eines Kühlfluids zum Kühlen des Dichtelements ausgebildet. Das Aufnahmeelement weist einen Einlass und einen Auslass des Strömungskanals auf.
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Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids mit einem Gehäuse sowie dem Dichtsystem. Innerhalb des Gehäuses sind ein Verdichtungsmechanismus und ein Antrieb zum Antreiben des Verdichtungsmechanismus angeordnet.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Hubkolbenverdichtern wird das zu verdichtende Fluid durch einen sich innerhalb eines Zylinders hin- und her bewegenden Kolben in einen Arbeitsraum angesaugt, innerhalb des Arbeitsraums verdichtet und anschließend ausgestoßen.
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Ein Kreuzkopfverdichter weist als eine Bauart der Hubkolbenverdichter neben dem Zylinder und dem Kolben eine an einem ersten Ende starr mit dem Kolben und an einem zweiten, zum ersten Ende distalen Ende mit einem Kreuzkopf verbundene Kolbenstange auf. Der Kreuzkopf ist über einen um den Kreuzkopf pendelnden Pleuel mit einer Kurbelwelle gekoppelt, welche die Verbindung zu einem Antrieb darstellt. Der Kreuzkopf weist ein separates Gleitlager auf. Die geradlinige Führung der Kolbenstange entlang der Längsachse ermöglicht das Abdichten des Kurbeltriebs zwischen der Kolbenstange und dem Zylinder beziehungsweise dem Gehäuse mittels einer Kolbenstangendichtung.
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Dabei umschließt die Kolbenstangendichtung die Kolbenstange vollumfänglich, um den kurbelseitigen Arbeitsraum gegenüber der Umgebung abzudichten. Das Gehäuse nimmt mehrere an der oszillierenden Kolbenstange anliegende Dichtelemente, insbesondere Dichtringe beziehungsweise Dichtringpakete, auf. Die Dichtringe liegen jeweils mit einer Innenfläche beziehungsweise einer inneren Mantelfläche an der Mantelfläche der Kolbenstange abdichtend an. Die aneinander anliegenden Dichtflächen der Kolbenstangendichtung und der Kolbenstange werden auch als Reibkontaktzone bezeichnet.
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An den aneinander anliegenden Dichtflächen tritt aufgrund der relativen Bewegung zwischen der Kolbenstangendichtung und der Kolbenstange Reibung auf, durch welche Wärme erzeugt wird. Die Wärme ist abzuführen, um die Temperatur im Bereich der Kolbenstangendichtung zu verringern. Die Höhe der Temperatur im Bereich der Kolbenstangendichtung ist wiederum ausschlaggebend für den Verschleiß und damit die Lebensdauer sowie die Gewährleistung der Funktionalität der Dichtringe der Kolbenstangendichtung. Mit höherer Lebensdauer lässt sich der Austausch der Dichtringe zeitlich verzögern. Die technische Herausforderung besteht folglich darin, die im Bereich der Reibkontaktzone erzeugte Wärme und damit die Wärme von der Kolbenstangendichtung bestmöglich abzuführen.
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Herkömmliche Kreuzkopfverdichter sind im Bereich der Kolbenstangendichtung mit Kühlkanälen ausgebildet, welche mit einem flüssigen Kühlmittel durchströmt werden, um die an den Dichtringen der Kolbenstangendichtung entstehende Wärme abzutransportieren. Dabei wird das flüssige Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, mit niederer Temperatur in die Kühlkanäle eingeströmt. Das Kühlmittel wird beim Durchströmen der Kühlkanäle durch Aufnahme von Wärme aus der Reibkontaktzone erwärmt. Das erwärmte flüssige Kühlmittel strömt über einen Auslass aus den Kühlkanälen aus.
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Das für die Kühlung der Reibkontaktzone und damit der Kolbenstangendichtung genutzte Kühlmittel weist beim Eintritt in die Kühlkanäle gewöhnlich eine Temperatur von etwa 40 °C auf. Nach dem Ausströmen aus den Kühlkanälen wird das Kühlmittel mittels einer Umwälzpumpe einem als Rückkühler bezeichneten Wärmeübertrager, insbesondere einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, zugeführt, in welchem die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft übertragen wird. Das derart abgekühlte Kühlmittel strömt mit niederer Temperatur wieder in die Kühlkanäle ein. Der Kreislauf des Kühlmittels ist geschlossen.
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In der
EP 3 521 618 A1 ist ein Kolbenverdichter der vorgenannten Art mit einer Zwangskühlung der Kolbenstangendichtung offenbart. Die Zwangskühlung wird mittels eines Kühlmittels bereitgestellt, welches die aufgrund der Reibung zwischen der Kolbenstangendichtung und der Kolbenstange entstehende Wärme abführt.
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Aus der
US 6 932 351 B1 geht ein Dichtungsgehäuse zum Kühlen von Verdichtern hervor. Das Dichtungsgehäuse weist eine Öffnung zum Durchführen einer beweglichen Welle derart auf, dass das Dichtungsgehäuse auf der Welle montiert ist. Zudem ist das Dichtungsgehäuse mit mindestens einem Dichtungsring mit Strömungskanälen ausgebildet, durch welche ein flüssiges Kühlmittel geleitet werden kann. Die Strömungskanäle bilden im Wesentlichen parallele Durchgänge entlang der Welle, welche um den Umfang der Welle herum beabstandet und nacheinander vom Kühlmittel durchströmbar sind. Das flüssige Kühlmittel kann durch eine oder mehrere Einlassöffnungen in das Dichtungsgehäuse eingeleitet werden, durch die Strömungskanäle zirkulieren und durch eine oder mehrere Auslassöffnungen aus dem Dichtungsgehäuse ausströmen.
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Das Kühlen mit Wasser als Kühlmittel weist lediglich geringe Wärmeübergangskoeffizienten zwischen der Wandung der Kühlkanäle und dem Kühlmittel und damit eine geringe Wärmeübertragung von der Kolbenstangendichtung an das Kühlmittel auf. Zudem liegen die Eintrittstemperaturen des Kühlmittels auf einem hohen Niveau, welches aufgrund der Umlaufkühlung von der Temperatur der Umgebung, insbesondere von der Temperatur der Umgebungsluft, abhängig ist. Die Kolbenstangendichtungen werden derart nur unzureichend gekühlt und verschleißen in sehr kurzer Zeit.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Dichtsystem für eine Vorrichtung zum Verdichten eines Fluids, insbesondere eines Verdichters eines gasförmigen Fluids, wie einen Kreuzkopfverdichter, zur Verfügung zu stellen. Dichtelemente des Dichtsystems sollen eine maximale Lebensdauer auch unter hohen Lastanforderungen aufweisen. Dabei sollen speziell thermische Belastungen der Dichtelemente möglichst gering sein. Die Kosten für die Herstellung und den Betrieb des Systems und der Vorrichtung sollen minimal sein.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Dichtsystem für eine Vorrichtung zum Verdichten eines Fluids und einer Vorrichtung zum Verdichten eines Fluids mit dem Dichtsystem mit den Merkmalen gemäß der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind jeweils in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Dichtsystem für eine Vorrichtung zum Verdichten eines Fluids mit mindestens einem Dichtelement und mindestens einem Aufnahmeelement zur Aufnahme des mindestens einen Dichtelements sowie mindestens einem innerhalb des Aufnahmeelements ausgebildeten Strömungskanal zum Hindurchleiten eines Kühlfluids zum Kühlen des mindestens einen Dichtelements gelöst. Dabei liegt das Dichtelement wärmeleitend am Aufnahmeelement an. Das Aufnahmeelement weist einen Einlass und einen Auslass des mindestens einen Strömungskanals auf.
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Nach der Konzeption der Erfindung ist das Kühlfluid als ein in einem Kältemittelkreislauf zirkulierendes Kältemittel ausgebildet. Dabei sind der mindestens eine Strömungskanal als ein Abschnitt eines als Verdampfer des Kältemittels betriebenen Kältemittel-Wärmeübertragers und der Einlass sowie der Auslass des mindestens einen Strömungskanals als Anschlüsse des Kältemittel-Wärmeübertragers zum Kältemittelkreislauf vorgesehen.
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Mit dem aktiven Kühlen mittels eines verdampfenden Kältemittels als Kühlfluid wird das Abtransportieren von Wärme, insbesondere von den Dichtelementen, gegenüber einem passiven Kühlen mit Luft aber auch gegenüber einem aktiven Kühlen, beispielsweise mit einem flüssigen Kühlmittel, signifikant verbessert. Damit ist ein deutliches Reduzieren der Temperatur der sich speziell aufgrund der Reibung erwärmenden Dichtelemente verbunden.
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Mit der sogenannten Durchflusskühlung des Dichtsystems mittels des verdampfenden Kühlfluids wird die Wärmeabfuhr insbesondere aufgrund eines verbesserten Wärmeübergangs und geringerer Fluidtemperaturen erhöht. Neben dem Steigern des Abtransports der Wärme wird die Abhängigkeit der Temperatur des Kühlfluids von der Umgebungstemperatur verringert. Zudem wird die Gestaltungsmöglichkeit der Strömungskanäle des Kühlfluids erweitert.
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Das mindestens eine Dichtelement weist vorzugsweise die Form eines Ringes, insbesondere eines Kreisringes, auf.
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Das mindestens eine Aufnahmeelement ist bevorzugt ringförmig mit einer sich von einer ersten Stirnseite in Richtung einer Längsachse erstreckenden Ausnehmung zur Aufnahme des mindestens einen Dichtelements ausgebildet.
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Die Ausnehmung weist dabei vorteilhaft die Form einer Sackbohrung, insbesondere mit einer ebenen Bodenfläche, derart auf, dass an einer in Richtung der Längsachse zur ersten Stirnseite distalen zweiten Stirnseite eine in radialer Richtung ausgerichtete Wandung zum Anlegen des mindestens einen Dichtelements ausgebildet ist. Mit der vorteilhaft ebenen Bodenfläche der Sackbohrung ist die Wandung ebenfalls eben beziehungsweise geradflächig.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Strömungskanäle zum Hindurchleiten des Kühlfluids im Wesentlichen longitudinal zur Längsachse des Aufnahmeelements verlaufend oder umlaufend zur Längsachse des Aufnahmeelements ausgerichtet.
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Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die im Wesentlichen longitudinal zur Längsachse verlaufenden Strömungskanäle in radialer Richtung zwischen einem äußeren Durchmesser der Ausnehmung und einer äußeren Mantelfläche des Aufnahmeelements ausgebildet.
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Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die im Wesentlichen zur Längsachse umlaufenden Strömungskanäle mit einem in der Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitt jeweils innerhalb der an der in der Längsachse ausgerichteten zweiten Stirnseite in radialer Richtung ausgerichteten Wandung ausgebildet.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Vielzahl von Dichtelementen vorgesehen ist. Dabei sind jeweils eine Anzahl an Dichtelementen zu einem Paket zusammengefasst innerhalb eines Aufnahmeelements angeordnet.
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Zudem kann auch eine Vielzahl von Aufnahmeelementen ausgebildet sein. Die Aufnahmeelemente sind vorteilhaft entlang der Längsachse aneinandergereiht angeordnet. Dabei ist jeweils eine Ausnehmung eines Aufnahmeelements an der ersten Stirnseite von der an der zweiten Stirnseite in radialer Richtung ausgerichteten Wandung eines benachbart angeordneten Aufnahmeelements begrenzt. Die Aufnahmeelemente liegen jeweils mit der ersten Stirnseite an der zweiten Stirnseite des benachbarten Aufnahmeelements an.
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Sowohl unter einer Vielzahl von Elementen als auch unter einer Anzahl an Elementen sind stets mindestens zwei Elemente zu verstehen.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf in Strömungsrichtung des Kältemittels mindestens den als Verdampfer betriebenen ersten Kältemittel-Wärmeübertrager, einen Kältemittelverdichter, einen als Verflüssiger betriebenen zweiten Kältemittel-Wärmeübertrager und ein Expansionsorgan auf. Dabei kann der zweite Kältemittel-Wärmeübertrager als ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an Umgebungsluft ausgebildet sein.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids gelöst. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse sowie ein konzeptionsgemäßes Dichtsystem auf. Innerhalb des Gehäuses sind ein Verdichtungsmechanismus und ein Antrieb zum Antreiben des Verdichtungsmechanismus angeordnet.
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Die Vorrichtung ist vorteilhaft als ein Hubkolbenverdichter mit einem Verdichtungsmechanismus mit mindestens einem in einem zylinderförmigen Gehäuse geführten und sich in einer Bewegungsrichtung entlang einer Längsachse bewegenden Kolben mit einer Kolbenstange ausgebildet. Die Längsachsen von Kolben und Kolbenstange einerseits sowie des Dichtsystems, insbesondere des mindestens einen Dichtelements beziehungsweise des mindestens einen Aufnahmeelements des Dichtsystems, sind identisch.
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Die Vorrichtung ist vorzugsweise als ein Kreuzkopfverdichter mit einem Antrieb des mindestens einen Kolbens mit der Kolbenstange und einem Kreuzkopf sowie einem Pleuel und einer Antriebswelle ausgebildet.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Dichtelement des Dichtsystems zwischen dem mindestens einen Aufnahmeelement und der Kolbenstange, die Kolbenstange zum Aufnahmeelement abdichtend, angeordnet. Dabei ist das mindestens eine Dichtelement die Kolbenstange vorteilhaft vollständig umschließend ausgebildet. An den aneinander anliegenden Dichtflächen des Dichtelements und der Kolbenstange wird aufgrund der relativen Bewegung der Kolbenstange zum Dichtelement Wärme infolge von Reibung erzeugt. Die Wärme ist abzuführen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das mindestens eine Aufnahmeelement des Dichtsystems als eine Komponente des Gehäuses der Vorrichtung ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids weist mit dem konzeptionsgemäßen Dichtsystem zudem den Vorteil auf, dass bei einem Wechsel von einem System mit einem flüssigen Kühlmittel als Kühlfluid auf ein System mit einem verdampfenden Kältemittel als Kühlfluid lediglich ein minimaler Aufwand entsteht. Bereits genutzte Dichtsysteme mit einem Kühlmittel als Kühlfluid können bestehen bleiben und weiter verwendet werden. Anstelle eines Kühlmittelkreislaufs mit einer Kühlmittelpumpe und einem als Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Rückkühler eines Kühlmittelkreislaufs wird ein sogenannter Verflüssigungssatz mit einem Kältemittelkreislauf installiert. Der Verflüssigungssatz ist als eine komplette und steckerfertige Einheit in verschiedenen Leistungsgrößen und mit verschiedenen Kältemitteln verfügbar und weist mit dem Kältemittelverdichter, dem Kondensator und dem Expansionsorgan die Komponenten des Kältemittelkreislaufs auf, sodass der Aufwand einer Umrüstung des Systems auf ein Kältemittel als Kühlfluid, ausgehend von einem System mit einem Kühlmittel als Kühlfluid, minimal ist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: einen Kreuzkopfverdichter in teilweiser Schnittdarstellung,
- 2a und 2b: jeweils ein Dichtsystem mit einer Kolbenstangendichtung mit longitudinal verlaufenden beziehungsweise umlaufenden Strömungskanälen,
- 3a: einen Kreuzkopfverdichter in teilweiser Schnittdarstellung im Bereich der Kolbenstangendichtung mit einem Dichtsystem mit einem schematisch dargestellten Kühlmittelkreislauf zum Kühlen der Kolbenstangendichtung aus dem Stand der Technik sowie
- 3b: einen Kreuzkopfverdichter in teilweiser Schnittdarstellung im Bereich der Kolbenstangendichtung mit einem Dichtsystem mit einem schematisch dargestellten Kältemittelkreislauf zum Kühlen der Kolbenstangendichtung.
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In 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere ein Hubkolbenverdichter, speziell ein Kreuzkopfverdichter, in teilweiser Schnittdarstellung gezeigt.
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Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 und einen im Gehäuse 2 angeordneten Kolben 3 auf. Das Gehäuse 2 wird aufgrund der inneren Form und der Funktion in Verbindung mit dem Kolben 3 auch als Zylinder bezeichnet, Infolge einer Hin- und Herbewegung des Kolbens 3 innerhalb des Gehäuses 2 in Bewegungsrichtung B entlang einer Längsachse des Zylinders werden zwischen dem Gehäuse 2 und dem Kolben 3 eingeschlossene Volumina, insbesondere zwei Arbeitsräume 4a, 4b, periodisch verkleinert und vergrößert. Mit dem Verkleinern eines ersten Arbeitsraums 4a wird ein zweiter Arbeitsraum 4b vergrößert und umgekehrt. Infolge des Verkleinerns des Volumens des entsprechenden Arbeitsraums 4a, 4b wird ein im Arbeitsraum 4a, 4b eingeschlossenes gasförmiges Fluid verdichtet. Das zu verdichtende Fluid wird jeweils in den Arbeitsraum 4a, 4b angesaugt, innerhalb des Arbeitsraums 4a, 4b verdichtet und anschließend durch ein geöffnetes Ventil 5a, 5b ausgestoßen.
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Die Arbeitsräume 4a, 4b werden am Kolben 3 mittels Kolbenringen 6a voneinander getrennt und damit ein Überströmen des Fluids zwischen den Arbeitsräumen 4a, 4b verhindert. Dabei wird eine zwischen den Arbeitsräumen 4a, 4b ausgebildete Verbindung abgedichtet. Zudem ist der Kolben 3 über Tragringe 6b im Gehäuse 2 abgestützt und geführt.
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Der Kolben 3 ist über eine Kolbenstange 7, einen Kreuzkopf 8 und einen Pleuel 9 mit einem Antrieb mechanisch verbunden. Dabei ist der Kolben 3 über die Kolbenstange 7 mit dem Kreuzkopf 8 verbunden, während der Kreuzkopf 8 mit dem Pleuel 9 gekoppelt ist. Die Kolbenstange 7 ist an einem ersten Ende starr am Kolben 3 und an einem zum ersten Ende distalen zweiten Ende am Kreuzkopf 8 befestigt. Mit Hilfe des Kreuzkopfs 8 wird eine rotatorische und zugleich translatorische Bewegung des Pleuels 9 in eine rein oszillierende Bewegung in Bewegungsrichtung B des Kolbens 3 und der Kolbenstange 7 umformt. Der Antrieb weist eine als Kurbelwelle ausgebildete Antriebswelle 10 auf, welche über den pendelnden Pleuel 9 mit dem Kreuzkopf 8 mechanisch verbunden ist. Der Kreuzkopf 8 ist über ein Gleitlager am Gehäuse 2 abgestützt.
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Die Kolbenstange 7 ragt mit dem am Kolben 3 fixierten ersten Ende durch den zweiten Arbeitsraum 4b hindurch. Der zweite Arbeitsraum 4b ist mittels eines zwischen dem unbewegten Gehäuse 2 und der oszillierenden, geradlinig geführten Kolbenstange 7 vorgesehenen Dichtsystems 11 gegenüber der Umgebung abgedichtet.
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Ein Teil des Dichtsystems 11 wird auch als Kolbenstangendichtung bezeichnet, welche in Kammern eines als Bereich des Gehäuses 2 ausgebildeten Packungsgehäuses angeordnete Dichtringpakete aufweist. Jedes Dichtringpaket weist mehrere ringförmige Dichtelemente auf, welche verschiedene Funktionen übernehmen. Die Dichtelemente umschließen die Kolbenstange 7 vollumfänglich. Das Gehäuse 2 nimmt folglich mehrere an der oszillierenden Kolbenstange 7 anliegende Dichtelemente, insbesondere Dichtringe beziehungsweise Dichtringpakete, auf. Die Dichtringe liegen jeweils mit einer Innenfläche beziehungsweise einer inneren Mantelfläche an der Mantelfläche der Kolbenstange 7 an.
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Die aneinander anliegenden Dichtflächen der Kolbenstangendichtung, insbesondere der Dichtelemente, und der Kolbenstange 7 bilden eine Reibkontaktzone aus. Aufgrund der relativen Bewegung zwischen den Dichtelementen und der sich bewegenden Kolbenstange 7 tritt Reibung auf, was zum Erzeugen von Wärme führt. Die Wärme ist abzutransportieren, um ein Erwärmen der Dichtelemente beziehungsweise eine Zunahme der Temperatur der Dichtelemente zu begrenzen und so den Verschleiß der Dichtelemente zu minimieren und damit die Lebensdauer der Dichtelemente zu erhöhen sowie die Funktionalität der Dichtelemente zu gewährleisten.
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Die Kühlung wird mittels einer sogenannten Durchflusskühlung von äußeren Komponenten der Vorrichtung 1, wie der Wandung des Gehäuses 2 im Bereich des den Kolben 3 aufnehmenden Zylinders beziehungsweise der Wandung des Packungsgehäuses des Dichtsystems 11, in welchem die Dichtelemente in Form von Dichtringpaketen angeordnet sind, aktiv gewährleistet.
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Aus den 2a und 2b gehen jeweils Komponenten eines Dichtsystems 11 mit einer Kolbenstangendichtung mit longitudinal verlaufenden beziehungsweise umlaufenden Strömungskanälen 12a, 12b für eine Durchflusskühlung hervor. Die aufgrund der Funktion auch als Kühlkanäle bezeichneten Strömungskanäle 12a, 12b werden von einem Fluid, auch als Kühlfluid bezeichnet, durchströmt, welches die Wärme aus dem Gehäuse 2 abführt, um derart die an den Dichtelementen 11a des Dichtsystems 11 entstehende Wärme abzutransportieren.
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Das innerhalb des Gehäuses 2 aufgenommene Dichtsystem 11, das heißt die Kolbenstangendichtung, weist neben den ringförmig ausgebildeten Dichtelementen 11 a Aufnahmeelemente 11b auf, welche das Packungsgehäuse des Dichtsystems 11 darstellen. Das Packungsgehäuse nimmt die Dichtelemente 11a auf, welche jeweils zu den Dichtringpaketen zusammengefasst sind.
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Die ringförmig ausgebildeten Aufnahmeelemente 11b sind in radialer Richtung zwischen den Dichtelementen 11a und dem Gehäuse 2 angeordnet. Dabei liegen die die Kolbenstange 7 vollumfänglich umschließenden Dichtelemente 11a mit der inneren Mantelfläche an der Mantelfläche der Kolbenstange 7 an und sind mit der äußeren Mantelfläche zum Aufnahmeelement 11b hin ausgerichtet. Jedes Aufnahmeelement 11b ist zur Aufnahme eines Pakets von Dichtelementen 11a ausgebildet.
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Dabei sind die ringförmigen Aufnahmeelemente 11b von einer ersten Stirnseite ausgehend mit einer Ausnehmung zur Aufnahme der Dichtelemente 11a ausgebildet. Die Ausnehmung weist die Form einer Sackbohrung mit einer ebenen Bodenfläche und einem Durchmesser auf, welcher größer ist als der Außendurchmesser der Dichtelemente 11a.
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Zudem weisen die Aufnahmeelemente 11b an einer in Längsrichtung der Kolbenstange 7 ausgerichteten zur ersten Stirnseite distal ausgebildeten zweiten Stirnseite jeweils eine in radialer Richtung ausgerichtete Wandung auf, um die Dichtelemente 11 a benachbart angeordneter Pakete von Dichtelementen 11a voneinander zu separieren. Die jeweils zu einer der Stirnseiten hin ausgerichteten äußeren Dichtelemente 11 a der Pakete liegen an der Wandung am Aufnahmeelement 11b an. Die in der Wandung des Aufnahmeelements 11b ausgebildete Durchgangsöffnung zum Durchführen der Kolbenstange 7 weist einen Durchmesser auf, welcher größer ist als der Außendurchmesser der Kolbenstange 7.
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Die an den aneinander anliegenden Dichtflächen der Dichtelemente 11a und der Kolbenstange 7 als Reibkontaktzone erzeugte Wärme wird zumindest zu einem Teil von den Dichtelementen 11a an die Aufnahmeelemente 11b übertragen. Dabei wird die Wärme überwiegend über Wärmeleitung an die an den Stirnseiten in radialer Richtung ausgerichteten Wandungen der Aufnahmeelemente 11b abgeführt. Die Aufnahmeelemente 11b sind mit den Strömungskanälen 12a, 12b zum Durchströmen mit dem Kühlfluid ausgebildet und werden aktiv gekühlt, sodass die von den Dichtelementen 11a über die Wandungen der Aufnahmeelemente 11b an die Aufnahmeelemente 11b übertragene Wärme in den Aufnahmeelementen 11b an das Kühlfluid abgegeben wird.
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Bei einer ersten Ausführungsform des Dichtsystems 11 nach 2a sind die Strömungskanäle 12a longitudinal beziehungsweise in Richtung der Längsachse der Kolbenstange 7 verlaufend ausgebildet. Dabei sind die Strömungskanäle 12a in radialer Richtung anschließend zur sacklochartigen Ausnehmung zur Aufnahme der Dichtelemente 11a angeordnet. Die Strömungskanäle 12a erstrecken sich jeweils innerhalb der Aufnahmeelemente 11 b zwischen dem äußeren Durchmesser der Ausnehmung und der äußeren Mantelfläche der Aufnahmeelemente 11b, welche zum Gehäuse 2 hin weisend ausgerichtet ist. Die Strömungskanäle 12a benachbarter Aufnahmeelemente 11b sind jeweils fluchtend zueinander angeordnet, sodass jeweils ein zusammenhängender, Aufnahmeelemente 11b übergreifender Strömungskanal 12a ausgebildet ist.
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Bei einer zweiten Ausführungsform des Dichtsystems 11 nach 2b sind die Strömungskanäle 12b im Wesentlichen in Umfangsrichtung um die Längsachse der Kolbenstange 7 verlaufend ausgebildet. Dabei sind die Strömungskanäle 12b mit einem in der Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitt jeweils innerhalb der an der in der Längsrichtung der Kolbenstange 7 ausgerichteten Stirnseite in radialer Richtung ausgerichteten Wandung angeordnet. Die jeweils in der Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitte der Strömungskanäle 12b sind über in der Richtung der Längsachse der Kolbenstange 7 verlaufende Abschnitte miteinander verbunden.
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Die miteinander verbundenen Strömungskanäle 12a, 12b weisen einen gemeinsamen Einlass 13 sowie einen gemeinsamen Auslass 14 auf. Dabei strömt das Kühlfluid in Strömungsrichtung 15a durch den Einlass 13 in die Aufnahmeelemente 11b ein und wird anschließend auf die Strömungskanäle 12a, 12b aufgeteilt. Das Kühlfluid nimmt beim Durchströmen der Strömungskanäle 12a, 12b die aus der Reibkontaktzone an die Aufnahmeelemente 11b übertragene Wärme auf und strömt anschließend in Strömungsrichtung 15b durch den Auslass 14 aus den Aufnahmeelementen 11b beziehungsweise aus dem Gehäuse 2 wieder aus. Damit werden die Dichtelemente 11a auf eine Temperatur in einem vorgegebenen Temperaturbereich gekühlt. Die Aufnahmeelemente 11b des Dichtsystems 11 stellen gleichermaßen Komponenten des Gehäuses 2 dar.
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In 3a ist eine als Kreuzkopfverdichter ausgebildete Vorrichtung 1' in teilweiser Schnittdarstellung im Bereich der Kolbenstangendichtung mit einem Dichtsystem 11 mit einem schematisch dargestellten Kühlmittelkreislauf 16' zum Kühlen der Kolbenstangendichtung aus dem Stand der Technik gezeigt, während in 3b eine als Kreuzkopfverdichter ausgebildete Vorrichtung 1 in teilweiser Schnittdarstellung im Bereich der Kolbenstangendichtung mit einem Dichtsystem 11 mit einem schematisch dargestellten Kältemittelkreislauf 16 zum Kühlen der Kolbenstangendichtung dargestellt ist.
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Gemäß der Ausführungsform der Vorrichtung 1' nach 3a sind die am Gehäuse 2 ausgebildeten nicht dargestellten Einlass 13 und Auslass 14 mit dem Kühlmittelkreislauf 16' verbunden. Die Strömungskanäle 12a, 12b sind Abschnitte eines ersten Kühlmittel-Wärmeübertragers 17' des Kühlmittelkreislaufs 16', in welchem Wärme an das Kühlmittel übertragen wird. Dabei wird das flüssige Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, mit niederer Temperatur durch den Einlass 13 in die Strömungskanäle 12a, 12b eingeströmt. Das Kühlmittel wird beim Durchströmen der Strömungskanäle 12a, 12b durch Aufnahme von Wärme aus der Reibkontaktzone erwärmt. Das derart erwärmte flüssige Kühlmittel strömt durch den Auslass 14 aus dem Gehäuse 2 aus.
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Das zum Kühlen der Reibkontaktzone und damit der Dichtelemente 11a des Dichtsystems 11 genutzte Kühlmittel weist am Einlass 13 beispielsweise eine Temperatur von etwa 40 °C auf. Nach dem Ausströmen aus dem Auslass 14 wird das Kühlmittel mittels einer Kühlmittelpumpe 18', auch als Umwälzpumpe bezeichnet, zu einem zweiten Kühlmittel-Wärmeübertrager 19', welcher insbesondere als ein Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet ist und als Rückkühler bezeichnet wird, gefördert. Beim Durchströmen des zweiten Kühlmittel-Wärmeübertragers 19' wird die vom Kühlmittel im ersten Kühlmittel-Wärmeübertrager 17' aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft übertragen. Das derart abgekühlte Kühlmittel strömt mit niederer Temperatur durch den Einlass 13 in die Strömungskanäle 12a, 12b ein. Der Kühlmittelkreislauf 16' ist geschlossen.
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Gemäß der Ausführungsform der Vorrichtung 1 nach 3b sind die am Gehäuse 2 ausgebildeten Einlass 13 und Auslass 14 mit dem Kältemittelkreislauf 16 verbunden. Die Strömungskanäle 12a, 12b sind als Abschnitte eines als Verdampfer des Kältemittels betriebenen ersten Kältemittel-Wärmeübertragers 17 des Kältemittelkreislaufs 16 ausgebildet, in welchem Wärme an das Kältemittel übertragen wird. Dabei wird das Kältemittel als Zweiphasengemisch aus Dampf und Flüssigkeit auf einem Niederdruckniveau durch den Einlass 13 in die Strömungskanäle 12a, 12b eingeströmt. Das Kältemittel wird beim Durchströmen der Strömungskanäle 12a, 12b durch Aufnahme von Wärme aus der Reibkontaktzone verdampft. Das dampfförmige Kältemittel strömt durch den Auslass 14 aus dem Gehäuse 2 aus. Das Kältemittel wird zum Kühlen der Reibkontaktzone und damit der Dichtelemente 11a des Dichtsystems 11 genutzt.
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Nach dem Ausströmen aus dem Auslass 14 wird das Kältemittel von einem Kältemittelverdichter 18 angesaugt und auf ein höheres Druckniveau, insbesondere ein Hochdruckniveau, verdichtet sowie zu einem als Kondensator beziehungsweise Verflüssiger betriebenen zweiten Kältemittel-Wärmeübertrager 19, welcher insbesondere als ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet ist, gefördert. Beim Durchströmen des zweiten Kältemittel-Wärmeübertragers 19 wird Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft übertragen. Das enthitzte und verflüssigte Kältemittel wird nach dem Ausströmen aus dem zweiten Kältemittel-Wärmeübertrager 19 zu einem Expansionsorgan 20 geleitet. Beim Durchströmen des Expansionsorgans 20 wird das Kältemittel vom Hochdruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und als Zweiphasengemisch aus Dampf und Flüssigkeit durch den Einlass 13 in die Strömungskanäle 12a, 12b eingeleitet. Der Kältemittelkreislauf 16 ist geschlossen.
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Mit dem Einsatz eines Kältemittels anstelle eines Kühlmittels wird aufgrund des Phasenübergangs des verdampfenden flüssigen Kältemittels die übertragbare Wärmemenge deutlich gesteigert. Dabei ist beispielsweise auch der Wärmeübergang zwischen der Wandung des Strömungskanals 12a, 12b und dem Kältemittel als Kühlfluid insbesondere aufgrund des Phasenübergangs deutlich höher als beim Kühlmittel als Kühlfluid. Zudem kann das Kältemittel dem ersten Kältemittel-Wärmeübertrager 17 des Dichtsystems 11 mit deutlich tieferen Temperaturen zugeführt werden, als das Kühlmittel dem ersten Kühlmittel-Wärmeübertrager 17', was die resultierenden Temperaturen innerhalb der Strömungskanäle 12a, 12b und damit auch der Dichtelemente 11a weiter reduziert. Das Kältemittel kann beispielsweise auch mit Temperaturen unter 0 °C in die Strömungskanäle 12a, 12b eingelassen werden.
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Die Wärmeabfuhr mittels verdampfenden Kältemittels als Kühlfluid bietet zudem die Möglichkeit, die Strömungskanäle 12a, 12b mit deutlich geringerem Strömungsquerschnitt und folglich bei gleichem Bauraum in einer höheren Anzahl auszubilden als beim Einsatz eines ausschließlich flüssigen Kühlmittels als Kühlfluid. Die Strömungskanäle 12a, 12b mit geringerem Strömungsquerschnitt bieten zudem hinsichtlich der Wärmeabfuhr weitere Vorteile im Vergleich zu Strömungskanälen mit größerem Strömungsquerschnitt, da mit diesen unter anderem der Weg der wärmeleitenden Wärmeübertragung innerhalb der Wandung des Gehäuses 2 zwischen der Wandung des Strömungskanals 12a, 12b und damit dem Kühlfluid sowie der Wärmequelle verringert sowie der Verlauf der Strömungskanäle 12a, 12b innerhalb der Aufnahmeelemente 11b beziehungsweise der Wandung des Gehäuses 2 deutlich flexibler gestaltet werden können. Derart können die Entfernungen zwischen den zu kühlenden Dichtelementen 11a und den Strömungskanälen 12a, 12b beziehungsweise dem Kühlfluid verringert werden.
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Der erste Kältemittel-Wärmeübertrager 17 kann mit den geringen Strömungsquerschnitten der Strömungskanäle 12a, 12b beispielsweise als ein Minikanalwärmeübertrager oder als ein Mikrokanalwärmeübertrager ausgebildet sein.
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LISTE DER BEZUGSZEICHEN
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- 1, 1'
- Vorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Kolben
- 4a
- erster Arbeitsraum
- 4b
- zweiter Arbeitsraum
- 5a, 5b
- Ventil
- 6a
- Kolbenring
- 6b
- Tragring
- 7
- Kolbenstange
- 8
- Kreuzkopf
- 9
- Pleuel
- 10
- Antriebswelle
- 11
- Dichtsystem
- 11 a
- Dichtelement
- 11b
- Aufnahmeelement
- 12a, 12b
- Strömungskanal
- 13
- Einlass
- 14
- Auslass
- 15a, 15b
- Strömungsrichtung
- 16
- Kältemittelkreislauf
- 16'
- Kühlmittelkreislauf
- 17
- erster Kältemittel-Wärmeübertrager
- 17'
- erster Kühlmittel-Wärmeübertrager
- 18
- Kältemittelverdichter
- 18'
- Kühlmittelpumpe
- 19
- zweiter Kältemittel-Wärmeübertrager
- 19'
- zweiter Kühlmittel-Wärmeübertrager
- 20
- Expansionsorgan
- B
- Bewegungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3521618 A1 [0009]
- US 6932351 B1 [0010]
