DE1673517C3 - Selbsttätiger hydraulischer Druckbegrenzer für Membrankompressoren und -pumpen - Google Patents

Selbsttätiger hydraulischer Druckbegrenzer für Membrankompressoren und -pumpen

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DE1673517C3 DE1673517A DES0108606A DE1673517C3 DE 1673517 C3 DE1673517 C3 DE 1673517C3 DE 1673517 A DE1673517 A DE 1673517A DE S0108606 A DES0108606 A DE S0108606A DE 1673517 C3 DE1673517 C3 DE 1673517C3
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Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen selbsttätigen hydraulischen Druckbegrenzer für Membrankompressoren und -pumpen, bei denen die Hin- und Herbewegung der Membran von einer durch einen hin- und herbewegten Kolben beaufschlagten Flüssigkeit bestimmt ist und Ansaugen und Verdrängen des von der Pumpe geförderten oder vom Kompressor verdichteten Fluids bestimmt, wobei der Druckbegrenzer ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes Ventil umfaßt, auf das der den Hin- und Hergang der Membran hervorrufende Flüssigkeitsdruck unter Zwischenschaltung eines mit einer Feder versehenen Kolbens wirkt
Bei dieser Art von Vorrichtungen bewegt sich eine meist metallische Membran in dem durch eine Scheibe to mit Löchern und einem Ansaug- und Auslaßventil tragenden Zylinderkopf gebildeten bikonkaven Raum hin und her. Der zwischen dem Arbeitskolben und der Membran vorhandene Raum ist mit einer Hilfsflüssigkeit gefüllt. Die Vorrichtung wird durch Hin- und br-> Herbewegung des Kolbens in Tätigkeit gesetzt, der auf die Membran eine pulsierende Bewegung gleicher Frequenz überträgt.
Damit der volumetrische Wirkungsgrad der Maschine maximal ist, legt sich die Membran völlig gegen den Zylinderkopf bei jedem Kolbenhub, Dies wird im allgemeinen dadurch erreicht, daß man den Kompressor mit den beiden im folgenden genannten Vorrichtungen ausstattet:
a) Einer ICompensatorpumpe für die hydraulische Flüssigkeit, die allgemein zur Tauchkolbenoauai't zu rechnen ist; diese wird durch einen an der Kurbelwelle der Pumpe aufgekeilten Exzenter gesteuert, der bei jedem Hub eine bestimmte hydraulische Flüssigkeitsmenge in das Innere des Zylinders drückt
b) Einen hydraulischen Druckbegrenzer, dessen Arbeitsprinzip analog dem eines Auslaßventils ist, das auf einen öffnungsdruck praktisch größer als der Druck im Gaskreis geregelt ist, in den der Kompressor liefert Die Membran kommt so mit dem Zylinderkopf in Berührung, bevor noch der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat
Während der Kolben seine Hubbewegung zum oberen Totpunkt hin fortsetzt komprimiert er die hydraulische Flüssigkeit, was die Öffnung des Druckbegrenzers bei jedem Hub hervorruft
Es sollen mm die Vorgänge bei der Kompression des Gases betrachtet werden. Der Druck des Gases und der Druck des hydraulischen Mediums entwickeln sich entsprechend den Fig. la und Ib, auf denen längs den Abszissen die durch den Kolben verdrängten Volumina und auf den Ordinaten die Drücke in der Kompressionskammer aufgetragen sind.
Liefert der Kolben oder die Pumpe mit konstantem Lieferdruck, so ist der Oberdruck AP\ (F i g. la), den die Membran bei Ende des Hubes aufnimmt, konstant und auf alle Fälle für die mechanische Festigkeit des Aggregats zulässig. Arbeitet der Kompressor dagegen mit variablem Lieferdruck, was insbesondere dann der Fall ist, wenn ein Behälter mit komprimiertem Gas gefüllt ist, so ist der Oberdruck AP2 (Fig. Ib), den die Membran aufnimmt, gleich einer Funktion des Lieferdrucks des Gases bei einer bestimmten Regelung des Druckbegrenzers. Dieser Oberdruck ist aber um so größer, je geringer der Lieferdruck des Gases ist Da der Druckbegrenzer für einen Bereich entsprechend dem maximal durch den Kompressor erreichten Lieferdruck geregelt werden muß, nimmt die Membran, wenn der Lieferdruck gering ist, eine erhebliche Druckdifferenz APi auf, die unter Umständen für mechanische Festigkeit bedrohlich wird.
Dieses Problem wird auch durch den aus der US-PS 16Jl 964 bekannten hydraulischen Druckbegrenzer nicht gelöst, der ein einem Ventilsitz zugeordnetes Schließventil aufweist, auf das einerseits der durch den Hin- und Hergang der Membran hervorgerufene Flüssigkeitsdruck und andererseits unter Zwischenschaltung einer Feder ein Kolben wirkt, der auf seiner Stirnfläche dem Förder- bzw. Verdrängerdruck ausgesetzt ist Bei dem bekannten Druckbegrenzer wird zur Übertragung des Förder- bzw. Verdrängerdrucks ein einfacher Kolben verwendet, der über eine Kolbenstange starr mit dem Schließventil verbunden ist In Schließrichtung des Ventils wirkt entgegen dem durch den Hin- und Hergang der Membran hervorgerufenen Flüssigkeitsdruck die Kraft einer Feder sowie der auf die Stirnfläche des mit dem Schließventil starr verbundenen Kolbens wirkende Förder- bzw. Verdrängerdruck. Dadurch bedingt ist bei diesem bekannten
Druckbegrenzer der Flüssigkeitsdruck immer gleich dem Förder- bzw. Verdrängerdruck vermehrt um eine Konstante, die sich als Quotient der Federkraft und des freien Querschnitts des Ventilsitzes des Schließventils darstellt Die Differenz zwischen Flüssigkeits- und Verdrängerdruck ist bei dem Druckbegrenzer nach der US-PS 16 51 964 daher konstant.
Dies ist jedoch insbesondere bei Hochdruckkompressoren (über 15G bar), die zur Abfüllung von Behältern dienen, nachteilig. In diesem Falle erhöht sich der Verdrängungsdruck des Kompressors in denn MaBe, wie der Behälter sich füllt Will man beispielsweise einen anfänglich leeren Druckbehälter auf einen Druck von 1000 bar füllen, so steigt der Verdrängungsdruck des Kompressors im Laufe des Füllvorganges von 0 auf 1000 bar.
Erfahrungsgemäß muß der durch den Hin- und Hergang der Membran hervorgerufene Flüssigkeitsdruck am Ende des Füllvorganges um etwa 200 bar über dem Verdränger- bzw. Förderdruck liegen, um ein ordnungsgemäßes Funktionieren des Kompressors za gewährleisten.
Dies bedeutet daß bei dem Druckbegrenzer gemäß der US-PS 16 51 964 die durch die in Schließrichtung auf das Schließventil wirkende Feder gegebene Differenz zwischen Flüssigkeits- und Förder- bzw. Verdrängerdruck während des gesamten Füllvorganges konstant 200 bar beträgt
Mit Rücksicht auf die Rißfestigkeit der Membran eines Kompressors soll aber die Differenz der auf beide Flächen der Membran wirkenden Drücke möglichst gering sein, und zwar während des gesamten Füllvorganges, d h. während des gesamten Druckanstieges.
Ferner ist bei dem Druckbegrenzer gemäß der US-PS 16 51 964 nachteilig, daß der Kolben starr mit dem Schließventil verbunden ist Bei einer derartigen starren Verbindung steigt der Flüssigkeitsdruck in gleichem Maße wie der Förder- bzw. Verdrängerdruck auf der Arbeitsstirnfläche des Kolbens zunimmt Ein derartiger Druckbegrenzer bietet daher keinerlei Sicherheit für das Funktionieren des Membrankompressors im Falle von außergewöhnlichen Druckspitzen (z. B. im Falle des zufälligen Schließens des Liefer- oder Anlaßschiebers des Kompressors).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckbegrenzer der bekannten Bauart dahingehend zu verbessern, daß er auch bei hohen Drücken bis zu 1000 bar und mehr sicher funktioniert insbesondere gewährleistet ist daß die auf die Membran des Kompressors wirkenden Druckdifferenzen während des gesamten Druckanstieges relativ gering bleiben.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst daß auf das Ventil über eine Feder ein Differentialkolben wirkt dessen beide Stirnflächen von unterschiedlichem Querschnitt dem Förder* und Verdrängerdruck des Fluids ausgesetzt sind
Der erfindungsgemäße Druckbegrenzer hat den Vorteil, daß auf Grund des Differentialkolbens die Differenz zwischen dem durch den Hin- und Hergang der Membran bedingten, auf der einen Seite der Membran wirkenden Flüssigkeitsdruck und dem auf der anderen Seite der Membran wirkenden Förder- bzw. Verdrängerdruck gleichmäßig während eines Füllvorganges bzw. eines Druckanstieges steigt um das erforderliche Maximum erst dann zu erreichen, wenn b5 der zu füllende Behälter auf Höchstdruck gefüllt ist Dadurch wird die Riß- und Bruchgefahr für die Membran erheblich vecmindert
Vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, wobei die Ausführungsform gemäß dem Unteranspruch 2 eine große Sicherheit im Falle außergewöhnlicher Druckspitzen bietet
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Druckbegrenzers erlaubt ferner eine Verwendung von Differentialkolben mit technisch ohne Schwierigkeiten herstellbaren Durchmessern, die selbst bei höchsten Drücken eine ausreichende Dichtigkeit gewährleisten.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden, in denen
F i g. 2 eine Gesamtdarstellung eines Membrankompressors mit einer erfindungsgemäßen automatischen Druckbegrenzervorrichtung zeigt
Fig.3 ist eine Detailansicht im Axialschnitt in größerer Darstellung des automatischen Druckbegrenzers.
Wie in Fig. 2 dargestellt weist der Kompressor einen Zylinderkopf 10, eine Scheibe 11 ur^ eine Zwischenscheibe 12, in der Löcher 13 vorgesehen skid, auf, wobei die Gesamtanordnung aus Zylinderkopf und Scheiben durch Bolzen 14 verbunden ist Zwischen der Zwischenscheibe 12 und der Scheibe 11 ist eine Dichtung 15 eingebracht
Eine Membran 16 ist am Umfang zwischen Zylinderkopf 10 und zwischen Scheibe 12 befestigt und begrenzt so die Kammer 17 variablen Volumens des Kompressors. Auf dem Zylinderkopf sitzt ein Auslaß- oder Lieferventil 18 und ein Ansaugventil 19.
Längs der Achse der unteren Scheibe 12 ist ein Zylinder 20 angeordnet in dem sich ein Kolben 21 bewegt; der Zylinderraum geht in eine Kammer 22 zwischen den Zwischenscheiben 12 und der unteren Scheibe 11 über.
Auf einem fest mit dem Kolben 21 verbundenen Teil 23 ist eine in einer Führung 24 gleitende Achse 25 angebracht an der gelenkig eine durch eine Kurbelwelle 27 angetriebene Pleuelstange 26 gelagert ist Die Kurbelwelle ist in einem Gehäuse 28 über Kugellager 29—30 gelagert und wird über eine Scheibe 31 angetrieben. Die von einem nicht dargestellten Motor übertragene Drehbewegung der Scheibe bewirkt eine Hin- und Herbewegung des Kolbens 21, wobei im Zylinder 20 befindliche Flüssigkeit beispielsweise Öl, auf den Membrankolben 16 wirkt und ihm eine pulsierende Bewegung von der Frequenz der Kolbenbewegung erteilt Die hieraus herleitbaren Variationen des Volumens der Kammer bewirken ein Ansaugen von Flüssigkeit über den Kanal 32 und ein Ausstoßen über den Kanal 33.
Die Vorrichtung weist darüber hinaus eine Kompensatorpumpe für die hydraulische Flüssigkeit auf, die durch einen auf die Kurbelwelle 27 gekeilten Exzenter 35 betätigt wird Diese Pumpe steht einerseits mit dem Raum 36 des Gehäuses 28, andererseits mit der Kammer 22 über eine Leitung 37, die mit einer Rückschlagklappe versehen ist in Verbindung.
Schließlich weist die Vorrichtung einen automatischen Begrenzer für den hydraulischen Druck nach der Erfindung auf.
Nach der in Fig.3 dargestellten Ausführungsform besteht dieser automatische Druckbegrenzer aus einem mit einem kalibrieren Sitz 42 zusammenwirkenden Ventil 41, wobei das Ventil den Durchgang durch einen Kanal 4} in Verbindung mit der Arbeitsflüssigkeit des Kolbens, deren Druck gleich Pt, ist steuert Das Ventil 41 verschiebt sich im Inneren einer Kammer 44. die selbst
über den Kanal 45 mit dem Gehäuse der Drucklieferpumpe steht.
In Axialrichtung des Ventils 41 ist ein Servo-Motor angeordnet, der einen Zylinder 46 aufweist, in dessen Innerem sich ein Differentialkolben 47 verschiebt, der auf das Ventil über eine Feder 48 wirkt. Der Lieferdruck Pg des durch die Membran 16 komprimierten Gases kommt über den Kanal 39 und die Kanäle 52 und 53 auf beiden Seiten des Differentialkolbens auf dessen große Stirnseite 49 und kleine Stirnseite 50 zur Auswirkung. Eine Verbindung mit der Umgebungsluft 51 ermöglicht die Kolbenbewegungen.
Während des Arbeitens ist das Ventil 41 dem Druck Ph ausgesetzt; die Stirnflächen 49 und 50 des Differentialkolbens selbst sind dem Druck Pg unterworfen. Die Wirkflächen S\ und Si der beiden Stirnseiten 49 und 50 werden so ermittelt, daß die öffnung des Ventils bei einem Druck Pf, beispielsweise bei
= K
erfolgt, wobei K ein vorher festgelegter Faktor größer 1 ist.
Da die Stirnseite 49 eine Fläche S\ größer als die Fläche & der Stirnseite 50 aufweist, ergibt sich, daß der Differentialkolben einer resultierenden Kraft ausgesetzt ist, die sich der öffnung des Ventils widersetzt. Die Öffnung erfolgt, wenn der auf das Ventil wirkende Druck, der auf dem Druck des hydraulischen Mediums im Innern des Zylinders 20 beruht, gerade den Wert der entgegengesetzt gerichteten auf den Differentialkolben ausgeübten Kraft erreicht.
Die dargestellte Druckbegrenzereinrichtung weist darüber hinaus Anschläge 54 und 55 auf, die auf jeder Seite des Servo-Motors angeordnet sind und man auch auf den Körper 46 schraubt, um deren Vorstehen auf einen gewünschten Wert einzuregeln.
Die Rolle, die jeder der Anschläge spielt, ist die folgende:
Anschlag 54
Wenn aus irgendeinem Grund der Kompressor odei die Pumpe einem äußerst starken Lieferdruck ausge setzt ist, der für die Festigkeitswerte der Maschine -, gefährlich werden kann (was besonders der Fall ist wenn aus Versehen der Liefer- oder Auslaßschieber dei Maschine geschlossen wird), selbst wenn der automat) sehe Druckbegrenzer arbeitet, so besteht Gefahr, da[ der Zylinder 20 einem gefährlichen hydraulischen Drucl·
ίο ausgesetzt ist Um diesem Nachteil abzuhelfen, wird dei Anschlag 54 so geregelt, daß ab einem bestimmter Lieferdruck P', des Gases der Differentialkolben 47 siel· gegen die Fläche 56 dieses Anschlages legt. Die Fedei 48 wird dann einer bestimmten Kompressionsbeanspru
ii chung entsprechend einem bestimmten öffnungsdruck des Ventils 41 ausgesetzt. Die Vorrichtung arbeitet danr als Sicherheitsventil.
Anschlag 55
in Wenn bei Anlaufen des Kompressors überhaupt keir Gasdruck auf den Differentialkolben 47 wirkt (was insbesondere dann der Fall ist, wenn ein zunächst leerei Behälter gefüllt werden soll), so beginnt das Ventil 41 zi öffnen, das dem Druck im Zylinder 20 ausgesetzt ist
r> wobei dieser Druck auf dem Hochkommen des Kolbens 21 beruht. Der Schieber ruft so ein Ausfließen dei hydraulischen Flüssigkeit hervor, bevor noch die Membran betätigt ist; der Kompressor liefert nicht. Um diesem Nachteil abzuhelfen, ist der Anschlag 53
so vorgesehen. Dieser Anschlag wird so eingestellt, daO der Differentialkolben 48 zunächst vor dem Anlaufen des Kompressors einer Kraft ausgesetzt wird, die das Ventil 41 gegen seinen Sitz 42 unter Zwischenschaltung der Feder 48 drückt
r> Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt; Abänderungen und Änderungen im Rahmen der Erfindung sind aul die unterschiedlichste Weise möglich. So kann beispielsweise der Differentialkolben 47 auf seiner Stirnseite 49 mit einer Stange versehen sein, die außerhalb des Anschlages 55 mündet
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Selbsttätiger hydraulischer Druckbegrenzer für Membrankompressoren und -Pumpen, bei denen die Hin- und Herbewegung der Membran von einer durch einen hin- und herbewegten Kolben beaufschlagten Flüssigkeit bestimmt ist und Ansaugen und Verdrängen des von der Pumpe geförderten oder vom Kompressor verdichteten Fluids bestimmt, wobei der Druckbegrenzer ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes Ventil umfaßt, auf das der den Hin- und Hergang der Membran hervorrufende Flüssigkeitsdruck unter Zwischenschaltung eines mit einer Feder versehenen Kolbens wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Ventil (41) über eine Feder (48) ein Differentialkolben (47) wirkt, dessen beide Stirnflächen (49; SO) von unterschiedlichem Querschnitt dem Förder- und Verdrängerdruck des Fluids ausgesetzt sind.
2. Druckbegrenzer nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (41) vom Differentialkolben (47) lediglich über eine Feder (48) und ohne starre Verbindung zwischen Ventil und Differentialkolben betätigt ist
3. Druckbegrenzer nach Ansprach 1, gekennzeichnet durch einen einstellbaren Anschlag (54), mit dem der Differentialkolben (47) unter der Wirkung eines bestimmten Fluidförder- oder Verdrängerdrucks in Berührung kommt, wobei der Differentialkolben (47) auf die Fede· (48) eine bestimmte Druckkraft entsprechend einem bestimmtet* öffnungsdruck des Ventils (41) überträgt, deren, daß der Druckbegrenzer (40) so als Sicherheitsventil art- litet
4. Druckbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen einstellbaren Anschlag (55), der auf den Differentialkolben (47) wirkt und diesen vor dem Ingangsetzen der Vorrichtung einer Kraft aussetzt, die das Ventil (41) gegen seinen Sitz (42) unter Zwischenschaltung der Feder (48) drückt
DE1673517A 1966-03-24 1967-03-02 Selbsttätiger hydraulischer Druckbegrenzer für Membrankompressoren und -pumpen Expired DE1673517C3 (de)

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