DE1428009A1

DE1428009A1 - Vorrichtung zum Komprimieren bzw. Expandieren eines Mediums

Info

Publication number: DE1428009A1
Application number: DE19641428009
Authority: DE
Inventors: Rietdijk Johan Adriaan
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1963-11-15
Filing date: 1964-11-13
Publication date: 1970-03-26
Also published as: US3272089A; AT249242B; DE1428009C3; GB1082581A; SE318052B; ES305991A1; DK119123B; NL139042B; CH443548A; DE1428009B2

Description

Vorrichtung zum Komprimieren bzw. Expandieren eineg Mediunm

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Komprimieren bzw. Expandieren eines Mediums. Solche Vorrichtungen sind z.B. Kompressoren, Expansionsmaschinen, Kaltgas-Kühlmaschinen, HelQgasmotoren, usw.

Die Erfindung bezweckt, eine verbesserte Bauart dieser Art von Vorrichtungen zu sdiäffen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung enthält mindestens einen Zylinder mit einem darin beweglichen kolbenartigen Körper zum Ändern des Volumens eines Arbeitsraumes, wobei die von dem Arbeitsraum abgekehrte Seite dieses kolbenartigen Körpers an einer Flüssigkeitskolonne anliegt, die an sich an einem zweiten, mit dem Triebwerk gekuppelten, kolbenartigen Körper anliegt, wobei die Abdichtung zwischen dem erstgenannten kolbenartigen Körper und der Zylinderwand durch mindestens eine Rollmembran gebildet wird, die sich wenigstens auf einer Seite an eine Flüssigkeit anschließt, wobei Mittel vorgesehen sind, durch welche an jeder Rollmembrane ein wenigstens nahezu pro Hub konstanter Druckunterschied aufrechterhalten wird, wobei der euerst genannte kolbenartige Körper mit einem sich in Richtung auf den zweiten kolbenartigen Körper erstrakenden, mantelförmigen EIe-

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nent versehen i st und der zweite kolbenartige Körper ein elastisch verformbares Abdichtungselement trägt, da? sich in ayialer Richtung des kolbenartigen Körpers wenigstens teilweise längs dessen Urafanges erstreckt und einen AuQendiirchmesser hat, der kleiner ist ala der Innendurchmesser der Zylinderwand, wobei das mnntelförmige Element eino solche länge hat, daß bei dem minimal zulässigen Abstand zwischen den beiden kolbenartigen Körpern das mantelförmige Element das Abdichtungselement derart verformt, daß eine Abdichtung zwischen den zwei kolbenartigen Körpern und der Zylinderwand entsteht.

Ein Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung ist der, daß die Anwendung einer Rollmembran eine vollkommene Abdichtung des Arbeitsraumes ergibt. Es ist infolgedessen absolut unmöglich, daß Schmierölteilchen oder andere Verunreinigungen längs des Kolbens in den Arbeitsraum gelangen.

Bei einer bekannten Rollmembranabdichtung ist eine Seite der Rollmembran mit einer Flüssigkeit in Berührung, die in einem Raum untergebracht ist, der im Betrieb ein konstantes Volumen besitzt. Wenn je doch aus irgendeinem Grunde die Flüssigkeitsmenge in diesem Raum im Betrieb von der vorgeschriebenen Menge abweicht, so tritt eine Änderung im Druckunterschied an der Rollmembrane auf, die somit mehr oder weniger ausgereckt wird.

Gemäß der Erfindung ist eine Seite der Rollmembrane mit einer Flüssigkeitskolonne zwischen den beiden kolbenarti-

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gen Körpern in Berührung und sind Mittel z.B. auf den Kolben einwirkende elastische Glieder vergesehen, durch welche ein Driickunt er schied an der Rollmembran aufrechterhalten wird. Ändert sich nunmehr die Flüssigkeitemenge zwischen den kolbenartigen Körpern etwas, so äußert sich dies lediglich in einer Änderung des Abstandes zwischen den Icolbenartigen Körpern, während sich der Druckunterschied an der Rollmembran nahezu nicht ändert. Dies bedeutet eine Verlängerung der Lebensdauer der Rollmembran.

Ein weiterer Vorteil der Anwessenheit einer Flüssigkeitskolonne zwischen den beiden kolbenartigen Körpern ist der, daß durch Zufuhr einer größeren oder kleineren Flüssigkeitsmenge zwischen den Kolben der Abstand zwischen den Kolben beliebig geändert werden kann, wodurch das schädliche Volumen des Arbeitsraumes größer oder kleiner wird; Auf diese Weise ergibt sich somit durch verhältnismäßig einfache Mittel die Möglichkeit das schädliche Volumen zu regeln.

Bei der Änderung des Abstandes zwischen den beiden kolbenartigen Körpern ändert sich etwas der Druckunterschied an der Rollmembran innerhalb enger Grenzen. Wenn der Abstand größer wird als der maximal zulässige Abstand, sorgt eine Regelvorrichtung dafür, daß die Flüssigkeit wegfließen kann, so daß keine weitere Entfernung zwischen den Kolben erfolgt. Wird der Abstand zu gering, so schließt die Regelvorrichtung die FlUssigkeitsabfuhr ab, so daß keine Flüssigkeit mehr über

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die Regelvorrichtung wegströmen kann. Es liegt noch die Möglichkeit vor, daß Flüssigkeit längs des zweiten kolbenartigen Körpers wegleckt. Um dies zu verhüten, ist gemäß der Erfindung der erste kolbenartige Körper mit einem mantelförmigen Element versehen, das beim Erreichen des minimal zulässigen Abstandes zwischen den kolbenartigen Körpern das mit dem zweiten kolbenartigen Körper verbundene Abdichtungselement derart verformt, daß dieses gegen die Zylinderwand gedrückt wird. Dies ergibt eine gute Abdichtung zwischen dem zweiten kolbenartigen Körper und der Zylinderwand.

Diese Bauart ist besonders wichtig zum Aufrechterhalten eines Druckunterschiedes auf der Rollmenbran beim Stillstand der Vorrichtung, Im Stillstand der Vorrichtung ist meistens auch die Flüssigkeitszufuhrvorrichtung für den Raum zwischen den swei Kolben nicht mehr wirksam, so daß durch Weglecken der Flüssigkeit der Druckunterschied an der Rollmenbran einen unzulässigen Wert annimmt.

Ein zusätzlicher Vorteil der Bauart nach der Erfindung* ist der, daß im Betrieb ein Teil der Flüssigkeit zwischen den beiden kolbenartigen Körpern durch den Spalt zwischen dem zweiten kolbenartigen Körper und der Zylinderwand wegströmen kann, so daß dieser kolbenartige Körper stets gut geschmiert ist. Der zweite Kolben braucht nicht genau nach Maß hergestellt zu werden.

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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Abdichtungselement durch einen O-Ring gebildet*

Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist zum Schutz dee Abdiehtttngselementes ein ringförmiges, unverformbares Bleaent Torgesehen, das mit dem mantelförmigen Element

kann.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, die eohematisch, nicht maßstäblich beispielweise einen Kompressor darstellt.

In dem dargestellten Kompressor sind in einem Zylinder 21 Bwei icolbenwrtige Körper 22 und 23 beweglich angeordnet. Die Abdichtung »wiechen dem Kolben 22 und dem Zylinder wird durch eine Rollmembran 26 gebildet. B^r Kolben 23 ist durch eine Antriebestange 24 mit einer Kurbel 25 verbunden. Der Zylinder 21 wird von einem Kühlwassermantel 29 umgeben, an den sich eine Zufuhr 30 urd eine Abfuhr 31 für das Kühlwasser anschließen. Der Konrr^sorreun W steht durch eine Einleßkleppe 32 mit einer Mediumsufnhrleitung 33 und durch eine Auelaßkappe 34 mit einer Mediumabfuhrleitung 35 in Verbindung. Die Abfuhrleitang 35 mündet in einem .^fttfferrautn 36 aus. Der Raum V zwischen den Kolben und ^^litt mit Flüssigkeit auegefüllt. An diesen Raum schließe sich «ine Flüssigkeitszufuhrleitung 37 an, die andeiereeite mit einer Flüssigkeitspumpe ?3 verbinden ist.

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An den Raum V schließt sich weiter eine Flüssigkeltsabfuhrleitung 39 an, die in einer Regelvorrichtung 40 ausmündet. Der Kolben 22 ist mit einer IFührungs stange 41 versehen, die von einer Druckfeder 42 umgeben wird_s die den Kolben gegen die Flüssigkeit im Raum T drückt. Die Vorrichtung enthält wieder ein Regelventil 43, das die maximale Höhe der ITüssigkeitskolonne im Raum V bedingt.

Die Regelvorrichtung 40 enthält ein Tentil 44» das die Plüssigkeitsabfuhrleitung 39 abschließen kann. Das Ventil 44 ist mit einer Membran 45 verbunden. Der Raum auf der rechten Seite dieser Membran steht durch eine Leitung 46 mit dem Raum ¥ in Verbindung. Weiter wird diese Membran auf der rechten Seite durch eine Druckfeder 47 festgedrückt. Der Raum auf der linken Seite der Membran 45 steht' durch eine enge Leitung 48 und die Leitung 39 mit dem Raum V in Verbindung. Auf der Membran 45 ist somit der gleiche» κίctlere Druckunterschied wirksam wie auf der Rollmembran ?(j. Die Druckfeder 47 ist so gewählt, daß dieser Druckunters'Msä an£ einige Atmosphären ansteigen !rann "bevor das Ventil 44 sich öffnet.

Die Regelvorrichtung 40 enthält ein ssweites Ventil 50, das mit einer Membran 51 verbunden ist« Der Raum ^E:2 rechts de? Membran 51 steht durch eine Leitung 53 Kit dem. Puffergsf^?iS 35 in Verbindung, Auf des linken Seite übt eine Fe- ä-?>v 54, die gegebenenfalls einstellbar sein kann, Kräfte' 'mit äie Membrsm 51 aus»

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Der Kolben 23 hat einen O-Ring 56, der einen solchen Außendurchmeeser hat, daß im normalen Betrieb der O-Ring die Zylinderwand 21 nicht berührt. Über dem O-Ring ist eine ringförmige Platte 57 vorhanden, die gegenüber dem Kolben 23 beweglich ist. Der Kolben 22 ist auf der dem Kolben 23 zugekehrten Seite mit dem raantelförmigen Element 58 versehen.

Die Wirkungeweise der Vorrichtung ist folgende. Die ölpumpe 38 führt durch die Leitung 37 Flüssigkeit in den Raum V. Der Abstand zwischen den Kolben 22 und 23 nimmt dabei stets eu. Das Yentil 43 folgt der .Aufwärtsbewegung des Kolbens 22, bis es die untere Seite des Kolbens 23 berührt. Bewegt sich der Kolben 22 noch etwas aufwarte, so liegt die obere Seite des Ventils 43 nicht mehr an dem Kolben 22 und die Flüssigkeit kann.durch das Ventil 43 in das Kurbelgehäuse zurückfließen. Der Kolben 22 hat dann seine oberste lage erreicht, wobei das schädliche Volumen des Kompressors am geringsten ist und die Leistung sein Maximum erreicht. Die Feder 42 sorgt dafür, daß ein Druckunterschied von einigen Atmosphären zwischen dem Druck in der Flüssigkeit und dem Druck in dem Arbeitsraum W vorhanden ist. Infolgedessen iet die Rollmembran nach wie vor gespannt. Auch in der obersten Lage führt die Flüssigkeitspumpe nach wie vor Flüssigkeit zu, die durch das Ventil 43 den Raum V wieder verläßt. Auf diese Weise ergibt sich eine konstante Durchströmung durch den Raum V. Dies ist aus zwei Gründen günstig. Erstens wird auf diese Weise verhütet, daß die Konrentration des durch die Rollmembran in dem Raum V diffundierten Mediums zu hoch

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wird. Zweitens ergibt sich eine gute Abkühlung des Kolbens 22 und der Rollmembran 26.

Ein Teil der dem Raum V zugeführten Flüssigkeit verläßt diesen Raum nicht durch das Ventil 45, sondern kenn, da der O-Eing 5^ nicht an der Zylinderwand 21 anliegt, durch den Spalt zwischen dem Kolben 23 und der Zylinderwand 21 in das Kurbelgehäuse zurückfließen. Dies sichert eine gute Schmierung des Kolbens 23, der sich somit -vollständig in Flüssigkeit bewegt.

Wenn der Druck im Puffergefäß 36 erhöht wird, muß die Leistung des Kompressors selbsttätig abnehmen. Da der Druck im Puffergefäß 36 und somit auch im Raum 52 zu hoch wird, wird die Membran 5"? g^gen den Druck der Feder 54 nach links bewegt. Infolgedessen wird das Ventil 50 von seinem Sitzgehoben. Das Ventil 44 ist im normalen Betrieb stets of fern. Es kann somit Flüssigkeit durch die Leitung 39 und das Ventil 50 in die Ölrückflußleitung 55 strömen. Dies hat zur Folge, daß der Abstand zwischen den Kolben 22 und 23 kleiner wii'ö, so daß das schädliche Volumen zu- und die Leistung abnimmt.

Um zn verhüten, daß der Druckunterschied, zwischen den Media in dem Räumen V und ¥ zu gering wirdj ist das Ventil 44. vorgesehene Bei einem zu geringen Druckunterschied drückt die Feder 47 äas Ventil 44 zu, so da© auf diesem Wege keine

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Flüssigkeit mehr aus dem Raum y wegfließen kann. Wenn keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, könnte jedoch noch stete Flüssigkeit aus dem Raum V durch den Spalt zwischen dem Kolben 23 und dem Zylinder 21 wegfließen. Um dies zu verhüten, ist der Kolben 22 mit dem mantelförmigen Element 58 versehen, das bei dem minimal zulässigen Wert des Ahstandee zwischen den Kolben 22 und 25 gegen die ringförmige Platte 57 drückt, so daß der O-Ring 56 derart verformt wird, daß er sich an die Zylinderwand 21 anlegt. Dies ergibt eine vollständige Abdichtung des Raumes V, so daß keine Flüssigkeit mehr aus diesem Raum wegfließen kann und der Druckunterschied an der Rollmembran 26 nicht weiter herabsinkt.

Die vorerwähnten Vorkehrungen sind besonders wichtig beim Anhalten der Vorrichtung, da in diesem Falle auch die ölpumpe 38 außer Betrieb genommen wird, so daß keine Flüssigkeit mehr dem Raum V zugeführt wird. Un zu verhüten, daß Flüssigkeit aus dem Raum V durch die ölpumpe in das Kurbelgehäuse zurückströmt, ist in der ölzuführleitung ein Rücklauf ventil 59 untergebracht. Wenn eine kleine Menge Flüssigkeit aus dem Raum V wegströmt, z.B. durch das Ventil H. oder durch den Spalt zwischen dem Kolben 23 und der Zy1 inderwand 21, verschließt die Regelvorrichtung die Leitung ^9, und auch das Ventil 43 schließt sich. Es kann 3ei^ch noch stets etwas Flüssigkeit län^s des Kolbens 23 wpg-lecken, so daß der Abstand zwischen den Kolben ?2 und ?3 ständig abnimmt. Bei dieser Abnahme verringert sich der von der Feder 42 aufrechterhaltene Druckunterschied auch etwes.

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Wenn der Druckunterschied an der Rollmembran 26 zu gering wird, treten Falten in eier Rollmembran auf unä im äußersten EaIIe wird die Rollmembran äera. etwaigen? vollen Druck in Raum ¥ unterworfen. Beim nächsten Anlassen der Torrichtiing würde die Rollmembran infolgedessen sofort zerrissen werdenο Das mentelförmig© Element 58 ist derart ausgebildet, daß "bei dem minimal ^!lässigen iJsrt öes Abstsndes zwischen äen Kolben 22 nwl 25 dieses- Element mit der ringförmigen Platte 5? in Berührung kommt» wodurch eier O-Rirtg 56 verformt unä der Spalt zwischen dem Kolben 23 und dem Zy-1Inder 21 vollständig abgedichtet wis?oL Bei? Raum ¥ ist dann "/el!kommen verschlossen, so daß !seine Flüssigkeit mehr aus diesem Raum wegleeken kann. Auch gsIe Stillstand der Masehiiis ist -lic? Rollmembran somit naefe uie tos isi gespanntsa Zu·«·

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verständlich ouch in Kaltgag-Kuhlmasehinen und Heißgasmotoren benutzt werden.

Patentansprüche:

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1. Vorrichtung zum Komprimieren bzw. Expandieren eines Mediums mit mindestens einem Zylinder, in dem ein ■kolbenartiger Körper sum Ändern des Volumens eines Arbeitsraumes beweglich ist, wobei der kolbenartige Körper der das Volumen des Arbeitsraumes ändern kann, mit seiner von diesem Raum abgekehrten Seite an einer Elüssigkeitskolonne anliegt, die an sich an einem zweiten, mit dem Triebwerk gekuppelten, kolbenartigen Körper anliegt, wobei die Abdichtung zwischen dem erstgenannten kolbenartigen Körper und der Zylinderwand durch mindestens eine Rollmembran gebildet wird, wobei jede dieser Rollmembranen wenigsten? an einer Seite an einer Flüssigkeit anliegt, und daß Mittel vorgesehen sind, durch welche auf jeder dieser Rollmembranen ein wenigstens pro Hub konstanter Druckunterschied aufrechterhalten wird, wobei der erstgenannte kolbenartige Körper mit einem sich in Richtung auf den zweiten kolbenartigen Körper erstreckenden, manteiförmigen Element versehen ist und der zweite kolbenartige Körper ein elastisch verformbares Abdichtungselement besitzt, das sich wenigstens über einen Teil der axialen Abmessung des Kolbens längs dessen Umfanges erstreckt und einen Außendurchmesser hat, der kleiner ist als der Innendurchmesser der Zylinderwand, wobei das mantelförmige Element eine solche Länge hat, äeß bei dem minimal zulässigen Abstand zwischen den beiden kolbenartigen Körpern das

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mantelförmige Element das Abdichtungselement verformt, so daß eine Abdichtung zwischen dem zweiten Kolben und der Zylinderwand erhalten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennkeichnet, daß das Abdichtungselement durch einen O-Ring gebildet wird.

T. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und / oder 2, dadurch gekennzeichnet, dafl sich auf der dem mantelförmigen EIementfeugekehrten Seite des Abdichtungselementes ein gegenüber dem zweiten kolbenartigen Körper bewegliches, ringförmiges nicht verformbaren Element befindet, das mit dem mantelförmigen Element zusammenwirken kann.

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