DE4328264A1 - Hydraulischer Gasverdichter - Google Patents
Hydraulischer GasverdichterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten von
Gas. Dahingehende Vorrichtungen sind in einer Vielzahl von
Bau- und Ausführungsformen auf dem Markt erhältlich. Man
unterscheidet hierbei im wesentlichen zwei Bauformen, und zwar
motorisch oder hydraulisch/pneumatisch angetriebene Verdich
ter. Die bekannten Gasverdichter, die man auch als Kompressor
bezeichnet, bauen bei entsprechender zu erbringender Leistung
groß auf und sind kompliziert im Aufbau, so daß aufgrund des
damit einhergehenden hohen Montage- und Wartungsaufwandes auch
die Herstell- bzw. Wartungskosten hoch sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Verdichten von Gas zu
schaffen, die die beschriebenen Nachteile nicht aufweist. Eine
dahingehende Aufgabe löst eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruches 1.
Dadurch, daß der erfindungsgemäße Gasverdichter ein Gehäuse
aufweist, in dem ein Trennelement angeordnet ist, längs dessen
ein mittels eines Antriebes bewegbarer Kolben geführt ist, der
für einen dreistufigen Verdichtungszyklus zwei Totpunktstel
lungen durchfährt und der für die Aufnahme des zu verdichten
den Gases mit dem Gehäuse drei in Reihe hintereinander ge
schaltete Trennkammern begrenzt, ist eine Druckerhöhung des
Gases bei klein aufbauender Vorrichtung von sehr kleinen auf
sehr hohe Werte ohne weiteres möglich, beispielsweise von 5
auf 400 bar. Im übrigen ist mit nur einem bewegbaren Kolben,
der zwei Totpunktstellungen durchfährt, ein dreistufiger
Verdichtungsprozeß möglich, so daß der erfindungsgemäße Gas
verdichter wenig Bauteile hat, was einem niedrigen Herstell-
und Wartungsaufwand zugute kommt. Darüber hinaus ist ein
funktionssicherer Betrieb gewährleistet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weisen für die Reihenschaltung der Trennkammern
diese jeweils mindestens ein Ein- und ein Auslaßventil auf,
wobei das jeweilige Einlaßventil einer in der Reihe nachfol
genden Trennkammer über eine Verbindungsleitung mit dem ihm
zugeordneten Auslaßventil der vorangegangenen Trennkammer
verbunden ist. Auf diese Art und Weise läßt sich mit nur sechs
Ventilen der dreistufige Verdichtungsvorgang realisieren, was
der Betriebssicherheit der Vorrichtung zugute kommt.
Vorzugsweise sind die Einlaß- und Auslaßventile aus gegenläu
fig arbeitenden Rückschlagventilen gebildet und paarweise für
eine Verdichterstufe eingesetzt, wobei vorzugsweise sog.
"Bernoulli-Ventile" zum Einsatz kommen können, wie sie in der
deutschen Patentanmeldung P 43 24 246.4 der Anmelderin be
schrieben sind. Es hat sich gezeigt, daß diese dynamisch
umsteuernden Rückschlagventile nahezu unempfindlich gegen
Rückwirkungen aus Hochdruckleitungen sind, so daß ein stö
rungssicherer Betrieb des Verdichters gewährleistet ist. Mit
den angesprochenen "Bernoulli-Ventilen" können zum einen die
Schadräume minimal gehalten werden und zum anderen werden
keine externen Einrichtungen zum Ansteuern der Ventile benö
tigt, beispielsweise in Form einer Nockenwelle.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Vorrichtung weist für den Antrieb des Kolbens das
Trennelement zwei voneinander getrennte Zuführungen für Fluid
auf, die mit ihrem einen Ende jeweils in eine Fluidkammer
veränderlichen Volumens münden, die mittels einer Abdichtung
voneinander getrennt und die von dem Kolben und dem Trennele
ment begrenzt sind. Das stationär angeordnete Trennelement,
das man auch als sog. "Stator" der Vorrichtung ansehen könnte,
erlaubt mithin unmittelbar die Fluidzuführung über sein Inne
res, so daß die längs des Außenumfanges des Trennelementes
stattfindende Bewegung des Kolbens, den man auch als "Flugkol
ben" bezeichnen könnte, keinesfalls behindert ist. Als Fluid
kommt vorzugsweise Drucköl zum Einsatz; es könnte jedoch auch
ein pneumatischer Antrieb für besondere Anwendungen des Ver
dichters gleichwirkend an die Stelle des Fluidantriebes tre
ten.
Mit der angesprochenen innenliegenden hydraulischen Ansteue
rung des Kolbens ist eine Art doppeltwirkender Zylinder aufge
baut, wobei der Stator die Funktion der Kolbenstange und der
Flugkolben die Funktion des sonst üblicherweise feststehenden
Zylindergehäuses übernehmen. Hiermit entsteht eine zu einem
sonstigen bekannten Zylinder "inverse" Arbeitsweise mit dem
Vorteil, daß Stator und Flugkolben nicht gegeneinander zu
führen sind, sondern vielmehr nur der Flugkolben gegen das
Gehäuse geführt ist. Somit werden die für die Führung notwen
digen und grundsätzlich problematischen Abdichtstellen redu
ziert. Ferner wirken auf den Stator keine Reaktionskräfte ein
und die bei den Zylindern üblicher Art oft benutzten Zuganker
entfallen. Der Flugkolben selbst wird bei der erfindungsgemä
ßen Vorrichtung nur auf Zug beansprucht, so daß alle konstruk
tiven Maßnahmen gegen die sonst üblicherweise auftretende
Knickbeanspruchung des Kolbens bei Zylindern entfallen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung ist das Innere des Kolbens über einen
Druckentlastungskanal mit der Umgebung verbindbar, wobei ein
vorzugsweise auf Umgebungsdruck gehaltener Entlastungsraum von
dem Trennelement, dem Kolben und dem Gehäuse begrenzt ist.
Aufgrund dieser Druckentlastung zur Atmosphäre hin sind bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Öl- und die Gasseite
zuverlässig voneinander getrennt. Eventuell austretendes
Lecköl kann unmittelbar in den Tank rückgeführt werden, wobei
wegen der vorgenommenen Druckentlastung der anstehende Gas
druck immer größer ist.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der bewegbare Kolben eine
Verdrehsicherung auf, die mit einer die Lage des Kolbens
anzeigenden Zeigereinrichtung versehen ist, die zum Umschalten
der Bewegungsrichtung des Kolbens in seinen beiden Totpunkt
stellungen mit einer Umschalteinrichtung mit Endlagenschaltern
zusammenwirkt. Auf diese Weise werden drei Funktionen - Ver
drehsicherung, Positionsanzeige des Kolbens und Ansteuerung
desselben - mit nur einer Baueinheit an zentraler Stelle der
Vorrichtung verwirklicht, was wiederum deren geringer Baugröße
zugute kommt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist mit fortschreitender Druckerhöhung die in der
jeweiligen Trennkammer wirkende Kolbenfläche des Kolbens
kleiner als die Kolbenfläche in der vorangegangenen Druckstufe
ausgebildet. Die angesprochenen Flächenverhältnisse der Trenn-
oder Druckkammern bestimmen neben dem Fluid- oder Öldruck des
Antriebes den maximal erreichbaren Enddruck des Verdichters,
wobei bei den gewählten abgestuften Flächenverhältnissen bei
Erreichen eines vorgebbaren maximalen Enddruckwertes der
Kolben einfach stehen bleibt, so daß eine Überlastung durch
Druck- und Temperatureinfluß mit Sicherheit vermieden ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Vorrichtung sind, zumindest bei einem Teil der Verbin
dungsleitungen, an diese Wärmetauscher angeschlossen. Hier
durch kann die bei der Kompression des Verdichters entstehende
Wärme abgeführt werden, was wiederum der Funktionssicherheit
der Vorrichtung zugute kommt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Vorrichtung ist über den Druckentlastungskanal des
Trennelementes in das Innere des Kolbens und/oder in den
Entlastungsraum ein Kühlmittel zuführbar. Hierdurch läßt sich
die beim Verdichtungsvorgang im Bereich des Kolbens auftreten
de Wärme besser abführen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung ist der Gasaustrag stufenlos über
eine Ansteuerung der in die Fluidkammern, vorzugsweise mittels
einer Pumpe und/oder einer Drossel, zuführbaren Fluidmengen
vorgebbar. Der Gasaustrag des Verdichters kann mithin unab
hängig von den Druckverhältnissen stufenlos durch eine Rege
lung der Fluidfördermenge geregelt werden, wobei sich einmal
eine Einstellung über die vorgebbare Fördermenge der Pumpe
anbietet und zusätzlich oder alternativ eine Einstellung über
eine regelbare Drossel erfolgt. Eine weitere Möglichkeit
bietet eine bedarfsgesteuerte Verlängerung der Umschaltzeit an
den beiden Totpunktstellungen des Kolbens, so daß auch bei
niedrigem Durchsatz ein hoher Wirkungsgrad garantiert werden
kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise für eine
Gasinnendruckanlage verwendet, bei der die zum Hochdruck
verdichteten Gasmengen in einem Speicher bevorratet werden,
von dem aus die für einen Spritzgußvorgang für die Form not
wendigen Gasmengen abrufbar sind. Es hat sich gezeigt, daß mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung sich Gasinnendruckanlagen
wirtschaftlicher betreiben lassen, als mit den bisher bekann
ten Kompressoren. Durch Abrufen der für einen Spritzgußvorgang
notwendigen, hochverdichteten Gasmengen aus dem Speicher ist
ein reibungsfreier Betrieb von Spritzgußmaschinen jedweder Art
möglich.
Im folgenden ist die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand der
Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Verdichter;
Fig. 2 einen um 90° gegenüber der Darstellung in Fig. 1
versetzt dargestellten Längsschnitt durch den
Verdichter;
Fig. 3 eine der Darstellung in Fig. 1 entsprechende
Ansicht des Verdichters;
Fig. 4 eine der Darstellung in Fig. 2 entsprechende
Ansicht des Verdichters;
Fig. 5 eine Ansicht des Verdichters in Richtung des
Pfeiles X in Fig. 1 gesehen;
Fig. 6 eine Ansicht des Verdichters in Richtung des
Pfeiles Y in Fig. 1 gesehen;
Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie Z-Z in Fig. 3;
Fig. 8, 9 eine Darstellung eines Wärmetauschers, teilwei
se im Längsschnitt und in Ansicht bzw. eine
Ansicht in Richtung des Pfeiles W in Fig. 8
gesehen;
Fig. 10, 11 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit einer Darstellung des Kolbens
in seinen beiden Totpunktstellungen;
Fig. 12 verschiedene Volumen- und Druckverläufe, wie
sie in den Kammern I bis V der Vorrichtung
herrschen;
Fig. 13 die Darstellung eines Schaltbildes einer Gasin
nendruckanlage, bei dem der erfindungsgemäße
Verdichter Anwendung findet.
Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung weist
ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes, jedoch aus mehreren Teilen
bestehendes Gehäuse auf. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 ist in
der unteren Hälfte der Vorrichtung und innerhalb des Gehäuses
10 angeordnet ein Trennelement 12 vorhanden. Längs des Trenn
elementes 12 ist bewegbar ein Kolben 14 geführt, der für einen
dreistufigen Verdichtungszyklus zwei Totpunktstellungen durch
fährt und der für die Aufnahme des zu verdichtenden Gases,
vorzugsweise in Form von Stickstoffgas, mit dem Gehäuse 10
drei in Reihe hintereinander geschaltete Trennkammern III, IV
und V begrenzt, die die Verdichtungskammern des Verdichters
bilden.
Für die Reihenschaltung der Trennkammern III, IV und V weisen
diese drei Einlaßventile 16a, b, c sowie drei Auslaßventile
18a, b, c auf. Das Ventilpaar 16a, 18a ist dabei Teil der ersten
Saug- bzw. Druckstufe, wohingegen das Ventilpaar 16b, 18b Teil
der zweiten Saug- bzw. Druckstufe und das Ventilpaar 16c, 18c
Teil der dritten Saug- bzw. Druckstufe des Verdichters sind.
Wie insbesondere die Fig. 1 zeigt, ist das jeweilige Einlaßven
til 16b, 16c einer in der Reihe nachfolgenden Trennkammer IV, V
über eine Verbindungsleitung 20, die in der Fig. 1 nur schema
tisch dargestellt ist, mit dem ihm zugeordneten Auslaßventil
18a bzw. 18b der vorangegangenen Trennkammer III bzw. IV
verbunden. Neben den beiden Verbindungsleitungen 20 ist eine
an das Einlaßventil 16a angeschlossene Einlaßleitung 22 für
Gas niederen Druckes und eine Auslaßleitung 24, die an das
Auslaßventil 18c angeschlossen ist, vorhanden, über die das
mittels des Verdichters hoch verdichtete Gas für seine weitere
Verwendung weitergeleitet wird.
Für den Antrieb des Kolbens 14 weist das Trennelement 12 zwei
voneinander getrennte Zuführungen 26a, b für das Fluid in Form
von Hydrauliköl auf, die mit ihrem einen Ende 28a, b jeweils in
eine Fluid- bzw. Ölkammer I, II veränderlichen Volumens münden,
die mittels einer Abdichtung 30 voneinander getrennt und die
von dem Kolben 14 und dem Trennelement 12 begrenzt sind. Die
Abdichtung 30 ist durch einen am Trennelement 12 angeordneten
Trennwulst gebildet, längs dessen Außenumfang in üblicher und
daher nicht näher beschriebener Weise ein Dichtring verläuft.
Ein im Bereich der Unterseite des Verdichters angeordneter
Entlastungsraum VI ist von dem Trennelement 12, dem Kolben 14
und dem Gehäuse 10 begrenzt. Dieser Entlastungsraum VI wird
auf Umgebungsdruck gehalten, indem, wie dies insbesondere die
Fig. 7 zeigt, er über drei seitliche Ausnehmungen 32 mit der
Umgebung in Verbindung steht, die von vier Längsstegen 34 des
Gehäuses 10 seitlich begrenzt werden. Zwar sind über die
Ausnehmungen 32 schalenartige Gehäusesegmente 36 gelegt, die
mit den Längsstegen 34 fest verbunden sind, jedoch ist die
derart hergestellte Abdeckung nicht druckdicht, mit der Folge,
daß sich der Umgebungsdruck im Entlastungsraum VI einstellt.
Ein weiterer Entlastungsraum VII ist durch das Innere des
Kolbens 14 gebildet, der über einen Druckentlastungskanal 38
mit der Umgebung in Verbindung steht, so daß auch im Entla
stungsraum VII sich der Umgebungsdruck einstellt. Wie dies
insbesondere die Fig. 6 zeigt, kann sich der angesprochene
Druckentlastungskanal 38 an seinem zur Umgebung hinweisenden
Ende auch in zwei Kanalabschnitte 38a, b aufteilen.
Wie insbesondere die Fig. 2 bis 4 sowie 7 zeigen, weist der
bewegbare Kolben 14 eine mit 40 bezeichnete Verdrehsicherung
auf, die mit einer die Lage des Kolbens 14 anzeigenden Zeiger
einrichtung 42 versehen ist, die zum Umschalten der Bewegungs
richtung des Kolbens 14 in seinen beiden Totpunktstellungen
mit einer Umschalteinrichtung (nicht dargestellt) mit zwei
einander in Verfahrrichtung des Kolbens 14 gegenüberliegenden
Endlagenschaltern 44 zusammenwirkt.
Wie insbesondere aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, sind die
einzelnen Kammern I bis VII des Verdichters jeweils durch
übliche und daher nicht näher beschriebene Gleitdichtungen
voneinander getrennt. Der Kolben 14 wird, um ein Verklemmen
oder Kippen zu vermeiden, als einzig mit größerem Verfahrweg
bewegtes Teil der Vorrichtung an zwei weit auseinanderlie
genden Stellen durch Führungsbänder 46 geführt. So ist einmal
für den Kolben 14 zwischen den Kammern III und IV eine Führung
unmittelbar gegen das Gehäuse 10 vorgesehen, wohingegen die
zweite Führung des Kolbens 14 längs des zylindrischen Außenum
fanges des Trennelementes 12 erfolgt. Eine weitere dritte oder
Mittenführung ist zwischen der Abdichtung 30 des Trennelemen
tes 12 und den die Räume I und II bildenden Innenumfang des
Kolbens 14 gegeben. Besonders wichtig bei der Herstellung ist
demgemäß, zwei Toleranzen für die Führungsqualität zu beach
ten, nämlich zum einen die Konzentrizität zwischen Lauffläche
des Kolbens 14 und der Öldruckkammer II und zum anderen das
Fluchten der Gehäuselängsachse mit der Längsachse des Trenn
elementes 12. Durch die feste Einbaulage des Trennelementes 12
über eine Endkappe 48 kann die fluchtende Lage mit Hilfe einer
mit 50 bezeichneten sog. "Stuewe-Reibschlußverbindung"
(Schrumpfscheibe HSD 50) genau eingestellt werden.
Gegenüber der das Fußteil des Gehäuses 10 bildenden Endkappe
48 ist als weiteres Gehäuseteil ein Kopfteil 52 vorhanden, auf
den die Aufnahmen 54 mit den Rückschlagventilen 16c und 18c
aufgesetzt sind. Die Aufnahmen 54 für die Rückschlagventile
sind standardisierte Bauteile und werden, wie dies insbesonde
re die Fig. 3 zeigt, für alle Rückschlagventile 16,18 zum
Einsatz gebracht. Das Kopfteil 52 weist eine Mittenbohrung 56
auf, in die der Kolben 14 mit einer zylindrischen Verlängerung
58 eingreift, die wiederum von einer mittig angeordneten
Sackbohrung 60 durchgriffen ist. Die Länge der Verlängerung 58
ist derart bemessen, daß auch in der untersten Verfahrstellung
des Kolbens 14 die Verlängerung 58 noch in die Zylinder- oder
Mittelbohrung 56 eingreift.
Die erste wirksame Kolbenfläche 62 ist durch die in der Fig. 1
oben dargestellte Stirnseite des Kolbens 14 gebildet, die
seitlich von dem Außenumfang des Kolbens 14 im Bereich der
Führungsbänder 46 und dem Außenumfang der zylindrischen Ver
längerung 58 begrenzt ist. Die zweite wirksame Kolbenfläche 64
ist unterhalb des oberen Führungsbandes 46 absatzartig im
Kolben 14 angeordnet und ist radial von dem Außenumfang des
Kolbens 14 sowie dem Innenumfang des Gehäuses 10 im Bereich
der Kammer IV begrenzt. Die dritte Kolbenfläche 66 ist durch
die Spitze der Verlängerung 58 gebildet und radial vom Außen
umfang der Verlängerung 58 begrenzt. Die bei der Verdichtung
mit fortschreitender Druckerhöhung in der jeweiligen Trennkam
mer III, IV, V wirkende Kolbenfläche 62, 64, 66 des Kolbens 14
ist kleiner ausgebildet als die Kolbenfläche in der jeweils
vorangegangenen Druckstufe. Die erste Kolbenfläche 62 ist also
größer ausgebildet als die zweite 64 und diese wiederum größer
als die dritte Kolbenfläche 66.
Der Teil des Gehäuses 10, der die Trennkammern III und IV
begrenzt und der endseitig jeweils ein Paar an Aufnahmen 54
mit Ventilen 16a, 18a und 16b, 18b aufweist, ist endseitig über
entsprechende Dichtungen druckdicht gegenüber der Umgebung
abgeschlossen, was, wie bereits beschrieben, für den in der
Fig. 1 unten dargestellten Gehäuseteil mit den seitlichen
Ausnehmungen 32 nicht der Fall ist. Über den Druckentlastungs
kanal 38 des Trennelementes 12 ist in das Innere VII des
Kolbens 14 und gegebenenfalls in den weiteren Entlastungsraum
VI ein Kühlmittel (nicht dargestellt) zuführbar. Durch die
beschriebenen druckentlasteten Räume VI und VII ist die Öl-
und Gasseite des Verdichters sicher getrennt. Zugleich wird
durch die Kammer VII eine minimal bewegte Masse des Kolbens 14
erreicht, womit die sonst üblichen Probleme durch die großen
Trägheitskräfte der bewegten Massen bei bekannten Verdichtern
vermieden sind. Durch das Einbringen eines Kühlmediums über
die Entlastungsbohrung 38 kann das Kühlmedium direkt an der
thermisch besonders druckbelasteten Innenseite des Kolbens 14
wirken. Um einen optimalen Wirkungsgrad des Verdichters zu
erreichen, sind die Verdichtungsverhältnisse, die Schadräume
und die Wirkungsgrade der einzelnen Stufen entsprechend ausge
legt.
Wie dies insbesondere die Fig. 2 zeigt, ist es vorgesehen, auf
die im Betrieb des Verdichters bewegte Zeigereinrichtung 42
eine durchsichtige Kappe 68 aufzusetzen, die mit dem Außenum
fang des Gehäuses 10 fest verbunden ist. Durch Wechseln der
Druckbeaufschlagung und Druckentlastung über die Zuführungen
26a, b werden die Fluidkammern II bzw. I abwechselnd mit Hy
drauliköl befüllt bzw. wieder entleert, so daß der Kolben 14
in axialer Richtung hin und her bewegt wird. Hierbei kommt die
Zeigereinrichtung der Verdrehsicherung 40 in den beiden Tot
punktstellungen des Zylinders 14 abwechselnd in die Nähe oder
in Berührung mit dem oberen und unteren Endlagenschalter 44,
die dann geschaltet als Teil der Umschalteinrichtung (nicht
dargestellt) den Umsteuervorgang der Hydraulikzufuhr bzw.
-abfuhr aus den Fluidkammern I, II ansteuern. Wie insbesondere
die Fig. 7 zeigt, besteht die Zeigereinrichtung 42 aus zwei
kragenartigen Halsteilen, welche mittels einer Schraubverbin
dung und einem Schwalbenschwanzschloß auf den Außenumfang des
Kolbens 14 festgeklemmt werden. Die Kolbenführung erfolgt über
die Zeigereinrichtung 42, welche durch zwei PTFE-Scheiben in
einer der vier Längsöffnungen 32 geführt werden. Hierdurch ist
eine radiale Bewegung des Kolbens sicher vermieden.
In die Verbindungsleitungen 20 kann jeweils ein Wärmetauscher
72 geschaltet werden, der als Kühleinrichtung dient und der
die beim Verdichtungsvorgang auftretende Wärme des Gases
diesem entzieht. Der hierfür zum Einsatz kommende Wärmetau
scher nach den Fig. 8 und 9 weist Anschlußstellen 74a, b auf,
die an die jeweilige Verbindungsleitung 20 angeschlossen
werden und die dem Ein- bzw. Ausleiten des Gases in den bzw.
aus dem Wärmetauscher 72 dienen. Wie insbesondere die Fig. 8
zeigt, wird das Gas über eine Wendel 76 innerhalb des Wärme
tauschers 72 geführt und im Gegenstrom mittels Wasser gekühlt,
das über die Anschlüsse 78 in den und aus dem Wärmetauscher 72
gelangt. Dahingehende Wärmetauscher sind der Fachwelt hinrei
chend bekannt, so daß hierauf nicht mehr näher eingegangen
wird. Das mittels des Wärmetauschers 72 gekühlte Gas wird dann
für einen weiteren Komprimierungsvorgang über die jeweilige
Verbindungsleitung 20 erneut dem Verdichter zur Verfügung
gestellt. Im Kopfteil 52 sowie im mittleren Abschnitt des
Gehäuses 10 der die Trennräume III und IV umfaßt, sind Meßan
schlüsse 79 vorgesehen (Fig. 2), in die Druckindikatoren zur
Überwachung der Vorrichtung eingesetzt werden können. Solche
Meßindikatoren können auch an anderer Stelle der Vorrichtung,
sofern notwendig, entsprechend eingesetzt werden.
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand der
Fig. 10 bis 12 näher erläutert, wobei der besseren Darstellung
und Übersichtlichkeit wegen die Fig. 10 und 11 die Vorrichtung
nur in prinzipieller Darstellung zeigen. Die zu der prinzi
piellen Darstellung gemachten Ausführungen gelten jedoch
ebenso für den Verdichter nach den Fig. 1 bis 9. In der Fig. 12
sind die Volumen- und Druckverhältnisse für die Kammern I
bis V wiedergegeben, wobei die Verhältnisse auf der in der
Fig. 12 gesehen linken Bildhälfte zwischen den beiden senk
recht angeordneten Strichlinien den Umschaltvorgang des Kol
bens 14 von seiner unteren in der Fig. 11 dargestellten Tot
punktstellung in die obere Totpunktstellung nach der Fig. 10
betreffen und in die Fig. 12 rechts davon angeordneten Kurven
verläufe bis zum nächsten senkrechten Strichlinienverlauf den
Umschaltvorgang von einer Darstellung nach der Fig. 10 in die
Fig. 11 betreffen. Die gesamte Darstellung der Fig. 12 zwi
schen den beiden äußersten einander abgewandten senkrechten
Strichlinien betreffen also das Durchlaufen des Kolbens 10
zwischen zwei aufeinander folgenden Totpunktstellungen und
bilden einen dreistufigen Verdichtungszyklus. Nach Ablauf
dieses Zyklusses beginnt ein neuer Vorgang, was in der Fig. 12
andeutungsweise auf der rechten Bildhälfte randseitig darge
stellt ist.
Durch Druckbeaufschlagung über die Zuführleitung 26b mit
Hydrauliköl wird die Fluidkammer I befüllt und der Kolben 14
fährt von seiner in der Fig. 11 darstellten linken Totpunkt-
oder Endstellung in seine in der Fig. 10 gezeigte rechte
Endstellung. Der damit einhergehende Druckverlauf in der
Fluidkammer I ist in Fig. 12 dargestellt. Mit dem Bewegen des
Kolbens 14 in seine rechte Endstellung wird über die Sauglei
tung 22 und das Rückschlagventil 16a Gas, beispielsweise
Stickstoffgas, aus einem Behälter mit einem Druck von 5 bar in
die Niederdruckkammer III gesaugt.
Bei dieser Verfahrbewegung des Kolbens 14 geht sowohl das
Volumen als auch der Druck in der Fluidkammer II auf Null
zurück und das in der Kammer II befindliche Fluid wird über
die Zuführleitung 26a abgeführt. Ferner wird das in der Mit
teldruckkammer IV befindliche Gas über das Auslaßventil 18b
und das Einlaßventil 16c in die Hochdruckkammer V gebracht.
Hierbei ergibt sich in der Kammer IV der in der Fig. 12 links
gezeigte Verdichtungsvorgang und für die Kammer V ein Ansaugen
des Gases. Beim anschließenden Umschalten mittels den Endla
genschaltern 44 der Umschalteinrichtung bewegt sich der Kolben
14 von seiner in der Fig. 10 dargestellten Stellung erneut in
seine frühere obere Totpunktlage gemäß der Darstellung in Fig.
11 zurück. Diese Verfahrbewegung wird dadurch erreicht, daß
über die Zuführleitung 26a Fluid in die Kammer II gepumpt
wird, wohingegen die Kammer I über die Zuführleitung 26b
drucklos gehalten ist.
Bei dieser erneuten Verfahrbewegung kommt es zu einem Ver
dichtungsvorgang des Gases in der Kammer III, welches über das
Auslaßventil 18a, die Verbindungsleitung 20 und das Einlaßven
til 16b in die Mitteldruckkammer IV gepreßt wird. Es kommt
also zu einem Ansaugvorgang in der Kammer IV gemäß der Dar
stellung auf der rechten Bildhälfte der Fig. 12. Ferner kommt
es zu einem Verdichtungsvorgang in der Hochdruckkammer V, so
daß in der zweiten Phase nach dem Umschalten die auf den
gewünschten Enddruck verdichtete Gasmenge über das Auslaßven
til 18c und die Leitung 24 aus dem Verdichter abgeführt wird.
Das abgeführte Gas kann dann ohne weiteres auf 400 bar hoch
verdichtet sein. Neben Stickstoffgas ist der Verdichter auch
für die Komprimierung von Luft geeignet. Nach Ablauf des
dreistufigen Verdichtungs- und Saugvorganges beginnt ein
erneuter Zyklus wie eben beschrieben, d. h. der Kolben 14
verfährt erneut von seiner in der Fig. 11 dargestellten Stel
lung in eine nach der Fig. 10. Da die Räume VI und VII vor
zugsweise drucklos gehalten sind, mithin dort also die Druck
werte konstant sind, wurde davon abgesehen, deren Druckverlauf
in der Darstellung nach der Fig. 12 wiederzugeben. In den
Zuführungen 38a, b können zur Erleichterung des Umschaltvor
ganges gegenläufig arbeitende Rückschlagventile (nicht darge
stellt) eingesetzt sein.
Im folgenden wird anhand der Fig. 13 die Verwendung der Vor
richtung nach den Fig. 1 bis 12 für eine Gasinnendruckanlage
aufgezeigt, wobei die an sich bekannte Gasinnendruckanlage nur
insoweit beschrieben wird als sie zur Erläuterung der Erfin
dung notwendig ist. Der Gasaustrag des Verdichters ist stufen
los über eine Ansteuerung der in die Fluidkammern I, II zu
führbaren Fluidmengen vorgebbar. Hierzu kann man eine stufen
los einstellbare Hydraulikpumpe 80 und/oder eine einstellbare
Drossel 82 zum Einsatz bringen. Der Enddruck auf der Gasseite
des Verdichters hängt dabei nur vom Eingangsdruck und dem
Verhältnis der Verdichterkammern III bis V ab, wobei sich der
Enddruck mit Hilfe des Eingangsdrucks regeln läßt. Die Um
schaltung der Fluidkammern I bis II wird über ein 4/3-Wegeven
til 84 vorgenommen, das über die Endlagenschalter 44 der
Umschalteinrichtung (nicht darstellt) entsprechend angesteuert
wird.
Die zum Hochdruck verdichteten Gasmengen werden über die
Anschlußleitung 24, die über ein Rückschlagventil 86 bekannter
Bauart abgesichert ist, an einen Speicher 88 abgegeben, bei
spielsweise in Form eines Hydrospeichers. Das Gas wird dort
bevorratet und die für einen Spritzgußvorgang für die Form 90
notwendigen Gasmengen sind dann abrufbar. Mit der in der Fig.
13 dargestellten Gasinnendruckanlage läßt sich also ein konti
nuierlicher Gaseintrag in eine Spritzgußform über einen Hydro
speicher 88 erreichen, wobei der Verdichter über die Zuführ
leitung 22 aus Stickstoffvorratsbehältern 92 mit Gas zum Laden
der Kammer III versorgt wird. Da der erfindungsgemäße Verdich
ter klein aufbaut und im übrigen kostengünstig herstellbar
ist, läßt er sich in besonders vorteilhafter Weise für Gasin
nendruckanlagen jedweder Art einsetzen.
Claims (10)
1. Vorrichtung zum Verdichten von Gas, mit einem Gehäuse
(10), in dem ein Trennelement (12) angeordnet ist, längs
dessen ein mittels eines Antriebes bewegbarer Kolben (14)
geführt ist, der für einen dreistufigen Verdichtungszyklus
zwei Totpunktstellungen durchfährt und der für die Aufnah
me des zu verdichtenden Gases mit dem Gehäuse (10) drei in
Reihe hintereinander geschaltete Trennkammern (III, IV, V)
begrenzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
für die Reihenschaltung der Trennkammern (III, IV, V) diese
jeweils mindestens ein Ein(16a, b, c)- und ein Auslaßventil
(18a, b, c) aufweisen und daß das jeweilige Einlaßventil
(16b, c) einer in der Reihe nachfolgenden Trennkammer
(IV, V) über eine Verbindungsleitung (20) mit dem ihm
zugeordneten Auslaßventil (18a, b) der vorangegangenen
Trennkammer (III, IV) verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß für den Antrieb des Kolbens (14) das Trennelement
(12) zwei voneinander getrennte Zuführungen (26a, b) für
Fluid aufweist, die mit ihrem einen Ende (28a, b) jeweils
in eine Fluidkammer (I, II) veränderlichen Volumens münden,
die mittels einer Abdichtung (30) voneinander getrennt und
die von dem Kolben (14) und dem Trennelement (12) begrenzt
sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Innere (VII) des Kolbens (14) über
einen Druckentlastungskanal (38) mit der Umgebung verbind
bar ist und daß ein vorzugsweise auf Umgebungsdruck gehal
tener Entlastungsraum (VI) von dem Trennelement (12) , dem
Kolben (14) und dem Gehäuse (10) begrenzt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der bewegbare Kolben (14) eine Ver
drehsicherung (40) aufweist, die mit einer die Lage des
Kolbens (14) anzeigenden Zeigereinrichtung (42) versehen
ist, die zum Umschalten der Bewegungsrichtung des Kolbens
(14) in seinen beiden Totpunktstellungen mit einer Um
schalteinrichtung mit Endlagenschaltern (44) zusammen
wirkt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß mit fortschreitender Druckerhöhung die
in der jeweiligen Trennkammer (III, IV, V) wirkende Kolben
fläche (62, 64, 66) des Kolbens (14) kleiner als die Kolben
fläche in der vorangegangenen Druckstufe ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest bei einem Teil der Verbin
dungsleitungen an diese Wärmetauscher (72) angeschlossen
sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß über den Druckentlastungskanal (38)
des Trennelementes (12) in das Innere (VII) des Kolbens
(14) und/oder in den Entlastungsraum (VI) ein Kühlmittel
zuführbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Gasaustrag stufenlos über eine
Ansteuerung der in die Fluidkammern (I, II), vorzugsweise
mittels einer Pumpe (80) und/oder einer Drossel (82)
zuführbaren Fluidmengen vorgebbar ist.
10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 9 für eine Gasinnendruckanlage, bei der die zum Hoch
druck verdichteten Gasmengen in einem Speicher (88) bevor
ratet werden, von dem aus die für einen Spritzgußvorgang
für die Form (90) notwendigen Gasmengen abrufbar sind.
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