DE60103509T2

DE60103509T2 - Ventil zur steuerung grosser durchflüsse, insbesondere für kompressoren

Info

Publication number: DE60103509T2
Application number: DE60103509T
Authority: DE
Inventors: Massimo Schiavone; Andrea Bianchi
Original assignee: Dott ing Mario Cozzani Srl
Current assignee: Dott ing Mario Cozzani Srl
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2001-01-23
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2021-01-24
Also published as: ES2220709T3; IT1314504B1; US20030010950A1; ITGE20000032A0; JP2003525412A; US6598851B2; WO2001065157A1; EP1259749B1; DE60103509D1; ATE267970T1; EP1259749A1; ITGE20000032A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Ventile und bezieht sich insbesondere auf ein Ventil zur Steuerung großer Durchflüsse, insbesondere für Kompressoren oder dergleichen.
Bei Kompressoren ist die Steuerung der Durchflüsse mit großen Durchmessern, zwischen 40 und 400 mm, mit Öffnungs-/Verschließfrequenzen kombiniert, die sehr hoch sein können, zum Beispiel Tausende von Zyklen pro Minute. Diese besonderen Bedürfnisse erbrachten die Entwicklung zu automatischen Ventilen hin, d.h. bei denen die Verschlußvorrichtung durch geeignet ausgestaltete, elastische Rückholmittel in die Verschließposition gezwungen wird, wobei die Ventile so geformt sind, daß das sich bewegende Gerät schnell reagieren kann, deshalb durch Aufteilen des Fensters in eine Vielzahl von Öffnungen mit parallelen Achsen oder koaxial zueinander.
Diese sich aus dieser Art von Lösung ergebenden Probleme sind mit der hohen Zahl von Beanspruchungen verbunden, die auf sich bewegende Teile ausgeübt werden, wenn man berücksichtigt, daß bei einem Kompressor, der mit 1000 Upm arbeitet, eine Verschlußvorrichtung 1000 Öffnungsstößen und 1000 Verschließstößen neben der Kraft ausgesetzt ist, die auf die Federn ausgeübt wird. Soweit letztere betroffen sind, sollte man beachten, daß ihre Ausgestaltung schwierig ist, um in dem Ventilsitz eine homogene Lastverteilung zu erhalten. Ein anderer zu überwindender Nachteil betrifft Druckverluste, die von dem Fluid erfahren werden, während es durch die Ventilkanäle hindurchgeht.
Weiterhin wird eine große Aufmerksamkeit auf die Möglichkeit der Verringerung der Fließgeschwindigkeit entsprechend dem Erfordernis des komprimierten Fluids gerichtet, um Energie zu sparen. Im allgemeinen entspricht die Verringerung der Fließgeschwindigkeit einer Verzögerung beim Schließen von Einlaßventilen, was zu einer Verringerung des effektiven Volumens des zu komprimierenden Fluids führt. Derzeit wird diese Verringerung mittels linearer Betätigungseinrichtungen erhalten, welche auf die automatischen Ventile wirken und pneumatisch angetrieben sind. In einigen Fällen werden komplexe elektrohydraulische Steuergeräte verwendet: ein Beispiel dieser Art ist in der EP-A-0 893 605 beschrieben.
US-A-5,695,325 offenbart eine andere Anlage, die verwendet wird, um eine Verringerung der Fließgeschwindigkeit in Fluidkompressoren zu erhalten; in diesem Fall wird die Aufgabe durch eine wechselseitige Drehung zwischen Ventilen und ihren Sitzen erreicht, um ihren Verschluß eine gegebene Zeit lang zu verhindern, die auf der Basis des Betrages der zu reduzierenden Fließgeschwindigkeit berechnet wird.
Um Probleme bezüglich Abnutzung und Steuerung automatischer Ventile zu überwinden, wurden Drehventile, die mit Antriebsmitteln ausgestattet sind, ausgeführt. EP-A-0 971 160 beschreibt ein aktiv angetriebenes Ventil für einen Kolbenkompressor mit einer Ventilplatte und einer Gegenplatte, die beide mit Durchgangsfenstern ausgestattet sind; die Ventilplatte ist so gehaltert, daß sie um die Längsachse des Ventils und bezüglich der Gegenplatte umklappt. Ferner ist sie für eine Antriebsvorrichtung vorgesehen, die fest mit der Ventilplatte verbunden ist, um bezüglich der Gegenplatte diese zu drehen. Probleme bezüglich Reibungen und Dichtung zwischen Platte und Gegenplatte und auch jene bezüglich Wiedergewinnung von Spiel infolge Abnutzung werden durch Verwendung einer kombinierten Translations-Rotationsbewegung der Platte bezüglich der Gegenplatte gelöst, wobei die Translation längs der Drehachse der Gegenplatte erfolgt.
Ein sich aus dieser Art von Auswahl ergebendes Problem betrifft die wechselseitige Abdichtung zwischen der Platte und Gegenplatte und die Kräfte, welche durch die Mittel erfahren werden, welche die Platte zu der Gegenplatte hin bewegen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Ventil vorzusehen, welches am besten die Bedürfnisse von Vorrichtungen erfüllt, wie zum Beispiel Fluidkompressoren, Probleme bezüglich Betriebsfrequenz und Druckverlusten während des Durchgangs durch Ventilkanäle minimal macht und welches auch eine einfache Steuerung der Kompressorfließgeschwindigkeit ohne Verwendung komplexer und teurer Integrationssysteme ermöglicht.
Der Rahmen oder Bereich der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Ventil für die Steuerung von großen Durchflüssen mit hoher Betriebsfrequenz und insbesondere für Kompressoren oder dergleichen mit einem Fließfenster bzw. einer Fließöffnung und einer Verschlußvorrichtung, wobei das Fließfenster eine oder mehrere Öffnungen aufweist, die auf einem festen Körper gebildet sind, der mit der Verschlußvorrichtung zusammenwirkt und in den Fließkanal eingeführt ist, wobei die Verschlußvorrichtung bezüglich einer Achse senkrecht zu dem Körper drehbar ist, auf welchem das Fließfenster liegt, und mit Antriebsmitteln versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußvorrichtung mit mindestens einer Höhlung auf ihrer Oberfläche ausgestattet ist, die zu dem einen Einsatz aufnehmenden festen Körper zugewandt ist, und wobei der Einsatz so gebildet ist, daß er im wesentlichen zu der Öffnung des festen Körpers komplementär ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verschlußvorrichtung für die Drehung um eine Welle angebracht, die an einem Ende mit Antriebsmitteln gekoppelt und drehbar und dichtend in den festen Körper hinein montiert ist. In vorteilhafter Weise ist die Verschlußvorrichtung auf derjenigen Seite des festen Körpers angebracht, welche der Fließrichtung in dem Ventil entspricht.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen, die nur als nicht begrenzendes Beispiel ausgeführt sind, unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen, in denen ist:
1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schnittansicht gemäß der Linie II–II der 1;
3 eine Ansicht analog der in 2, wobei die Verschlußvorrichtung bezüglich des Ventilsitzes gedreht ist;
4 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils;
5 eine Schnittansicht entlang der Linie V–V der 4;
6 eine Ansicht analog der in 5, wobei die Verschlußvorrichtung bezüglich des Ventilsitzes gedreht ist; und
7 ein schematisches Diagramm unter Darstellung eines mit den erfindungsgemäßen Ventilen ausgestatteten Kompressors.
1 zeigt eine erste Ausführungsform des Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung; die Bezugzahl 1 bezeichnet den gesteuerten Fließkanal von dem Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein fester Körper 2 ist in den Kanal 1 eingeführt und besteht aus einer Platte mit einer Öffnung 102. Auf dem festen Körper ist eine Abdeckung 4 angeordnet, deren Seitenwände fensterförmige Öffnungen 204 zeigen. Das Ende der Abdeckung gegenüber dem auf dem festen Körper 2 angeordneten Ende zeigt eine Platte 104. Durch diese Platte 104 ist eine Welle 105 axial bezüglich der Abdeckung 4 eingeführt, und zwar dichtend mittels des Dichtelementes 124 und drehbar dank des Schiebemittels 114; die Welle 105 ist an einem Ende mit dem Motor 5 verbunden und paßt an dem anderen Ende in den festen Körper 2. In dem Körper 2 wirkt diese Welle auch mit Schiebemitteln 202 und einem Dichtelement 302 zusammen. Eine Büchse 115 ist auf die Welle 105 aufgepaßt und mit einer radialen Höhlung 125 ausgestattet, in welche die mit Zähnen versehene Protuberanz 103 der Verschlußvorrichtung 3 paßt, wobei die Protuberanz bzw. der Vorsprung mittels des Einsatzes 113 in Berührung mit der Oberfläche des festen Körpers 2 angeordnet ist, wobei der Einsatz 113 in der innerhalb der Verschlußvorrichtung 3 gebildeten Höhlung 123 angeordnet ist; bei dieser Figur ist die Verschlußvorrichtung 3 in geschlossener Position der Öffnung 102 gezeigt. Eine Feder 205 wirkt auf die Verschlußvorrichtung 3 und stößt mittels eines geeigneten Verschiebemittels 215 an dem gegenüberliegenden Ende auf die Platte 104 der Abdeckung 4. 2 zeigt deutlich die Position der Verschlußvorrichtung 3 bezüglich der Öffnung 102 des Körpers 2, welche in diesem Fall die ganze Ventilöffnung darstellt; 3 zeigt im Gegensatz dazu die Verschlußvorrichtung in einer Position, in welcher sie nicht störend in die Öffnung 102 eingreift.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform des Ventils gemäß der Erfindung; dieselben Teile sind mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. Der feste Körper 6 ist in diesem Fall in den Fließkanal 1 eingeführt und mit den Öffnungen 106 versehen, die mit den Einsätzen 108 der Verschlußvorrichtung 8 zusammenwirken. Diese Einsätze sind in den Höhlungen 138 aufgenommen, die in der Verschlußvorrichtung 8 gebildet und mit Federn 128 ausgestattet sind. Die Verschlußvorrichtung 8 ist mit der Welle 7 des Motors 5 mittels der Feder bzw. des Keils 107 verbunden, die bzw. der von der Welle 7 hervorragt, die in die auf der Wand des axialen durchgehenden Loches 208 gebildeten Höhlung 218 paßt. Die Welle ist mit Gleit- bzw. Schiebemitteln und Dichtmitteln ausgestattet, beide auf der Platte 104 der Abdeckung 4 und auf dem festen Körper 6 in ähnlicher Weise, wie bei der Ausführungsform der 1 beschrieben ist. Eine Schraffur- und gestrichelte Linie zeigt eine Ausführungsvariante des Ventils, in welchem die Verschlußvorrichtung 8' auf der bezüglich des festen Körpers 6 gegenüberliegenden Seite angeordnet ist; in diesem Fall ist die Welle 7 mit einem Kopf 207' ausgestattet.
5 zeigt deutlicher die Gestalt der Verschlußvorrichtung 8, die eine Vielzahl von radialen Armen 108 hat, welche die mit den Öffnungen 106 des festen Körpers 6 zusammenwirkenden Einsätze 118 aufnehmen; in dem gezeigten Fall ist die Ventilöffnung vollständig von der Verschlußvorrichtung 8 verdeckt, während in 6 die Verschlußvorrichtung so gedreht ist, daß sie alle Öffnungen 106 freiläßt.
7 zeigt schließlich ein schematisches Anwendungsbeispiel für das Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung, welche in einem hin- und hergehenden Kompressor verwendet wird. Der Kompressor weist einen Motor 30 auf, dessen Welle 31 durch ein Transmissionsmittel 32, 33 mit dem Handgriff eines Kolbens 41 verbunden ist, der in einem Zylinder 40 gleitet. Die erfindungsgemäß ausgeführten Ventile 10 steuern die Saug- und Druckstufen des Zylinders 40 längs der Fließleitung 60; die Ventile 10 sind mit Steuerschnittstellen 11 für ihre Antriebsmittel ausgestattet, wobei die Schnittstellen mit einer zentralen Prozessoreinheit 20 verbunden sind, die mit Dateneingangs- und Anzeigemitteln 21 versehen sind und ihrerseits mit dem Sensor 22 verbunden sind, welcher die Verbbindung mit der Kammer des Zylinders 40 und mit dem Sensor 23 bildet, der auf der Welle des Motors 30 angeordnet ist. Die Leitung 60 endet in dem Tank 50, welcher das komprimierte Fluid enthält, und ist mit einem Rückschlagventil 51 ausgestattet.
Der Betrieb des Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus dem Folgenden. Mit der Einführung einer Verschlußvorrichtung, die bezüglich des Ventilfensters schlüpft bzw. sich verschiebt, kann eine große Anzahl Probleme, welche bei bekannten Ventilen für diese Art Anwendungen gezeigt sind, zum Beispiel für große Durchflüsse mit hoher Betriebsfrequenz, leicht und wirksam dank moderner Materialien mit hohen mechanischen Eigenschaften, speziell mit geringem Reibungs- und geringem Abnutzungsfaktor überwunden werden, wie zum Beispiel kohlefaserverstärkte Polyetherketone (PEEK). Tatsächlich befindet sich der feste Körper, dessen Aufgabe es ist, Beanspruchungen zu widerstehen, welche durch die Druckdifferenz zwischen der Innenseite des Kompressorzylinders und den Leitungen des Kompressors eingeführt sind, welcher das Ventilfenster enthält, das nur aus einer Öffnung 102 bestehen kann wie in 1 oder aus einer Vielzahl von Öffnungen 106 wie in 4, in Berührung mit dem Einsatz oder den Einsätzen, der bzw. die sei nerseits bzw. ihrerseits einstückig mit der Verschlußvorrichtung 3 sind, wie in 1 oder 8 wie in 4, wobei sie sich um ihre Achse drehen, die bezüglich der Drehachse des festen Körpers koaxial ist. Die Kompensation der Spiele oder Freiräume zwischen der Oberfläche des festen Körpers 2 und der des Einsatzes 113 gemäß Darstellung in 1 erfolgt mittels der Kompressionsfeder 205. Wie bei 2, wo Verschlußvorrichtungen mannigfaltig sind, werden die Kompressionsfedern 128 in auf der Oberfläche des sich bewegenden Körpers 8, welche dem festen Körper 6 zugeneigt ist, gebildete Höhlungen 138 eingefügt. Deshalb unterliegen die bei der vorliegenden Erfindung benutzten Kompressionsfedern 205, 128 nicht dynamischen Lasten, sondern nur statischen Lasten.
Der Motor 5, welcher diese Art von Ventil steuert, ist ein Schrittmotor, vorzugsweise eine bürstenloser Motor, oder ein ähnliches Antriebssystem, welches Drehungen eines gegebenen Winkels um eine Achse ermöglicht. Aus den Figuren ergibt sich, daß je mehr das Ventilfenster in Öffnungen aufgeteilt ist, die um denselben Winkelabstand angeordnet sind, um so kleiner der Drehwinkel der Welle sein wird, der für einen Ventilöffnungs-/Verschlußzyklus erforderlich ist. Tatsächlich muß sich, falls der Zyklus in der Ausführungsform der 1 mit einer ganzen Drehung der Welle 105 ausgeführt wird, die Welle 7 nur um einen Winkel von 45° drehen. Dieses Hilfsmittel reduziert weiterhin die Abnutzung der Kontaktoberflächen.
Bei dem Ventil gemäß der Erfindung unterliegen die Verschlußvorrichtungen nicht länger dynamischen Stößen, und im Unterschied zu automatischen Ventilen, die beim Stand der Technik benutzt wurden, sind keine komplexen Aufbauten für die Rückholfedern der Verschlußvorrichtung erforderlich; ferner sollte die Trägheit des Ventilsystems gegen die Fluidströmung nicht weiter in Betracht gezogen werden. Der Fluidverlauf selbst innerhalb des Ventils ist extrem vereinfacht, um Druckverluste weitgehend zu reduzieren.
Auch die Anwendung in dem speziellen Gebiet von Kompressoren wird durch die vorerwähnten Vorteile beeinflußt und zeigt andere. Zum Beispiel beschreiben als zum Stand der Technik gehörende Patente Vorrichtungen, welche eine Fließgeschwindigkeitsveränderung durch Steuern der Verschlußverzögerung von Einlaßventilen ermöglichen. Bei einem Kompressor entsprechend dem in 7 gezeigten Typ erfordert diese Art von Steuerung nicht zusätzliche Vorrichtungen, denn das Öffnen und Verschließen des Ventils wird mittels der zentralen Verarbeitungseinheit 20' angetrieben und ist steuerbar. Das Erfassen der Winkelposition der Kurbel 33 über den Sensor 23 erlaubt das Gewährleisten solcher Verschlußverzögerungszeiten des Einlaßventils, um die Verringerung der Kompressorfließgeschwindigkeit zu ermöglichen. In vorteilhafter Weise kann das hier allgemein beschriebene Rückschlagventil 51 auch ein Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung sein, welches in geeigneter Weise durch die Einheit 20 gesteuert wird.

Claims

Ventil zur Steuerung großer Durchflüsse mit hoher Betriebsfrequenz und insbesondere für Kompressoren oder dergleichen, mit einer Fließfensteröffnung (102; 106) und einer Verschlußvorrichtung (3; 8), wobei das Fließfenster eine oder mehrere Öffnungen (102; 106) aufweist, die auf einem festen Körper (2; 6) gebildet sind, welcher mit der Verschlußvorrichtung (3; 8) zusammenarbeitet und in einen Fließkanal (1) eingeführt ist, wobei die Verschlußvorrichtung (3; 8) bezüglich einer Achse senkrecht zu derjenigen Ebene dreht, auf welcher der feste Körper (2; 6) liegt, und mit Antriebsmitteln (5) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußvorrichtung (3; 8) mit mindestens einer Höhlung (123; 138) auf der Oberfläche ausgestattet ist, welche dem festen Körper (2; 6) zugeneigt ist, wobei die Höhlung einen Einsatz (113; 118) aufnimmt, der so geformt ist, daß er im wesentlichen komplementär zu der Öffnung (102; 106) des festen Körpers (2; 6) ist.
Ventil nach Anspruch 1, bei welchem die Verschlußvorrichtung (3; 8) auf einer Welle (105; 7) drehbar angebracht ist, die an einem Ende mit Antriebsmitteln (5) gekoppelt ist und drehbar sowie dicht in den festen Körper (2; 6) eingeführt ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Verschlußvorrichtung (3; 8) auf derjenigen Seite des festen Körpers (2; 6) angebracht ist, welche der Fließrichtung in dem Ventil entspricht.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches mit Mitteln (205) für ein elastisches Belasten der Verschlußvorrichtung (3) gegen den festen Körper (2) versehen ist.
Ventil nach Anspruch 4, bei welchem das elastische Belastungsmittel (128) in dieselbe Höhlung eingeführt ist, welche den Einsatz (118) aufnimmt.
Ventil nach den Ansprüchen 2 und 4, bei welchem die elastischen Belastungsmittel (205) bezüglich der Welle (105) koaxial angeordnet sind.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einsatz (113; 118) aus einem Material mit hohen mechanischen Eigenschaften hergestellt ist, wie zum Beispiel kohlefaserverstärkte Polyetherketone (PEEK) oder dergleichen.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Antriebsmittel (5) einen bürstenlosen Motor, einen Schrittmotor oder dergleichen aufweisen.