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Steuerung Um bei schnellaufenden Kolbenverdichtern zur Erzeugung von
Druckluft oder Druckgase den starken Verschleiß durch das Aufschlagen der Ventilkörper
auf ihre Sitze bei Verwendung von Kegel- oder Tellerventilen zu vermeiden, ist bekanntlich
vorgeschlagen worden, Ventilplatten zu verwenden, die zwischen zwei Anschlägen hin
und her, schwingen, wobei sie durch Federn gegen den einen Anschlag gedrückt werden,
um die erforderliche Abdichtung des Zylinders gegen die Saug- oder Druckleitung
zu sichern. Es hat sich herausgestellt, daß auch bei den Ventilplatten trotz ihrer
geringen Masse durch das Aufschlagen gegen die Anschläge der Baustoff nach einer
gewissen Betriebsdauer ermüdet, was häufig zu Brüchen führt. Ferner sind die Geräusche
lästig, die durch das Aufschlagen der Platten auf die Anschläge entstehen, und schließlich
entstehen durch das plötzliche Öffnen und Schließen der Ventilplatten in den Leitungen
Luft-. Schwingungen, die derartige Rückwirkungen auf die Ventilplatten haben, daß
diese flattern, was zu einem noch schnelleren Verschleiß führt. Auch werden durch
diese Luftschwingungen Geräusche erzeugt, die sich durch die ganze Anlage fortpflanzen,
in die der Verdichter eingebaut ist.
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Bei Kolbenverdichtern ist auch schon vorgeschlagen worden, zur Steuerung
der Ein-und Auslaßöffnungen einen Hilfskolben zu verwenden, der sich unter der Wirkung
der im Zylinder entstehenden Druckänderungen selbsttätig verschiebt. Hierzu ist
der Hilfskolben im Zylinderdeckel geführt und an einer
sich auf
diesen abstützenden Feder aufgehäng, während auch zwischen Hilfskolben und Deckel
eine der ersteren Feder entgegenwirkende Feder eingeschaltet ist. Es wur&@'
aber für erforderlich gehalten, zwischen ser Feder und dem Deckel einen Spielrät@.;rä
einzuschalten.
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Demgegenüber besteht die Erfindung darin, daß das Absperrorgan als
ein entlastetes Freikolbenventil ausgebildet ist und beide Federn ständig am Zylinderdeckel
abgestützt sind, wobei das Kolbenventil nur durch eine nichtentlastete Kolbenfläche
gesteuert wird. Infolge der Entlastung des Kolbenventils wird die zum Spannen der
Federn erforderliche Leistung der Maschine der Entlastung entsprechend kleiner,
so daß die Federn solche Durchmesser erhalten können, die es gestatten, das Kolbenventil
auf seinem ganzen Hub durch die Federn kraftschlüssig zu führen. Durch die weiche
Federung werden Federbrüche vermieden. Auch sind die durch den Verdichter hervorgerufenen
Geräusche herabgesetzt.
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Entlastete Kolbenventile sind an sich auch für Kolbenverdichter bekannt,
aber als frei fliegende Ventile noch nicht verwendet worden.
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Bei Verdichtern ist auch schon vorgeschlagen worden, ein als Tellerventil
ausgebildetes Saugventil an einem Steuerhebel unter Einschaltung einer Schließfeder
aufzuhängen und. zwischen Ventil und dem Steuerhebel eine Feder einzuschalten, die
im Hubwechsel des Kolbens so gespannt wird, daß das Ventil eine zusätzliche Offnungskraft
erhält. Auch ein so gesteuertes Tellerventil hat die Nachteile aller Tellerventile,
also das Aufschlagen auf den Sitz, das nach der Erfindung durch die Verwendung eines
frei fliegenden, in besonderer Weise entlasteten Kolbenventils vermieden wird.
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Bei Kolbenverdichtern mit höheren Drücken wird auch bei Verwendung
des entlasteten Freikolbenv entils die zwischen diesem und dem Zylinderdeckel geschaltete
Feder sehr stark, so daß sie den erforderlichen Federweg nicht mehr hergibt. Um
beide Federn gleich stärk bemessen zu können und nur so groß, daß sie die Massenbeschleunigungen
des Kolbenventils aufnehmen, ist die zwischen dem Freikolbenventil und dem Zylinderdeckel
eingeschaltete Feder . entlastet, indem das Freikolbenv entil mit einer ständig
unter dem Windkesseldruck stehenden Druckfläche.versehen ist, die beim Saugventil
zusammen mit der Öffnungsfeder das Kolbenventil öffnet bzw. beim Druckventil zusammen
mit der Schließfeder das Ventil schließt.
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Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der Steuerung nach der
Erfindung dargestellt, und zwar zeigen: Fig. i bis 3 einen Längsschnitt durch den
mit dem Saugventil ausgerüsteten Teil des Zylinders des Verdichters in drei v erschiedeen
Arbeitslagen und Z#Fig. q. bis 6 einen Längsschnitt durch den tl,,it dem Druckventil
ausgerüsteten Teil des Zylinders des Verdichters in drei verschiedenen Arbeitslagen.
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In dem Kopf i des stehenden Zylinders 2 des Verdichters, in welchem
der Kolben 3 spielt, ist, wie Fig. i bis 3 zeigen, als Absperrorgan auf der Saugseite
ein entlastetes Kolbenventil q. angeordnet. Dieses Ventil hat am äußeren Umfang
eine Ringnut 5, deren obere und untere Begrenzungswand 6 bzw. 7 Steuerkanten für
die Kanäle 8 bilden, die im Zylinderkopf z vorgesehen sind und mit dem in die Außenluft
führenden Saugstutzen 9 in Verbindung stehen. Zwischen dem Boden der Nut 5 und der
Nabe io des Kolbenventils sind Kanäle i i belassen, so daß das Kolbenventil entlastet
ist.
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Das Kolbenventil q. ist in dem Zylinderkopf i frei schwebend mittels
zweier Federn 12, 13 aufgehängt, also ein Freikolbenventil. Die Nabe iö ist als
ein becherförmiger Kolben ausgebildet. In der Mitte des Hohlraumes 14 ist auf dem
Boden der Nabe io eine Hohlspindel i5-angebracht, die den becherförmigen Kolben
durchsetzt, in einem am Zylinderkopf 1 vorgesehenen Halslager 16 abgestützt ist-
und in eine Haube 17 hineinragt. Am oberen Ende trägt die Spindel einen Anschlagteller
18, gegen den sich die Feder 12 mit einem Ende abstützt, während sie mit dem anderen
Ende auf dem Halslager 16 ruht. Die Feder 13 stützt sich mit einem Ende auf die
untere Fläche des Halslagers 16 ab und mit dem anderen Ende auf die Ringfläche i9,
die zwischen der Spindel 15 und dem Kolben io verbleibt.
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Die Federn 12, 13 haben eine derartige Spannung, daß, wenn auf das
Kolbenventil 4. überhaupt kein Druck wirkt, es die in Fig. i dargestellte Lage einnimmt,
bei der die Saugkanäle 8 gegen den Zylinder 2 abgesperrt sind, um bei Stillstand
des Verdichters den Eintritt von Außenluft in das Zylinderinnere auf jeden Fall
zu verhüten.
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Die dem Zylinder 2 zugekehrte Bodenfläche 20 der Nabe i o ist im Verhältnis
zu den Federspannungen so groß, daß das Kolbenventil q. unter der Wirkung der im
Zylinder 2 bei dem Saughub erzeugten Luftleere in die Offenlage kommt.
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In dem Zylinder 2 und im Zylinderkopf i sind Taschen 21, 22 vorgesehen,
durch welche die Luft in den Zylinder eintreten kann.
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Zu Beginn des Saughubes hat-das Kolbenventil q. dabei die in Fig.
3 dargestellte Schließlage. Beim Abwärtsgang des Kolbens 3
entspannt
sich zunächst die vom Druckhub im schädlichen Raum verbliebene Luftmenge, wobei
sich das Ventil senkt und über die Lage nach Fig. i in eine Lage kommt, bei der
die Eröffnung beginnt. Das Senken des Ventils erfolgt dadurch, daß der auf . die,
Druckfläche 20 wirkende Unterdruck im Zylinder 2 die Spannung der Feder 12 überwiegt,
beim weiteren Abwärtsgang des Kolbens kommt das Kolbenventil q. in die Offenlage
nach Fig. 2. Die durch den Saugstutzen 9 und die Saugkanäle 8 eintretende Luft teilt
sich, indem ein Teil durch die Ringnut 5 und die Taschen 21, 22 in den Zylinder
2 tritt, während ein anderer Teil durch die Kanäle i i in den Zylinder 2 gelangt.
Bei weiterem Senken des Kolbens 3 bleibt das Kolbenventil .4 zunächst in dieser
Offenlage, bis gegen Ende des Saughubes infolge der Abnahme der Kolbengeschwindigkeit
die Luftleere abnimmt, so daß das Kolbenventil q. sich zu heben beginnt, da dann
die Kraft der beim Abwärtsgang des Kolbenventils gespannten Feder 12 den auf die
Druckfläche 2o wirkenden Unterdruck überwiegt.
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Sind die Spannung im Zylinder und die Spannung der Feder 12 ausgeglichen,
so beginnt das Kolbenventil abzuschließen. Bei dem folgenden Druckhub hebt sich
langsam das Kolbenventil. über die Lage nach Fig. i in die höchste Endlage nach
Fig. 3, wobei die Feder 13 gespannt wird.
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Das Kolbenventil q# wird hiernach durch die Federn 12, 13 in dem Zylinderkopf
i schwebend so gehalten, daß es in beiden Endlagen keines Anschlages bedarf. Eine
Ermüdung des Baustoffes des Kolbenventils, die durch ein Aufschlagen eintreten könnte,
ist dadurch vermieden. Auch arbeitet daher dieses Freikolbenventil geräuschlos.
Da die Eröffnung des Kolbenventils allmählich vor sich geht, indem das Kolbenventil
gewisserinaßen mit dem Kolben 3 eine Strecke mitläuft, bevor es in die Offenlage
nach Fig. 2 kon -nnt, ändert sich die Menge der zu beschleunigenden Luft auch nur
allmählich, wodurch die lästigen Störungen in der Saugleitung vermieden bzw. die
Schwingungsspitzen auf ein Mindestmaß herabgesetzt sind.
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Das in Fig. 4 bis 6 dargestellte, als Absperrorgan für die Druckleitung
dienende F reikolbenventil 23 hat die gleiche Bauart wie das zuvor beschriebene
Saugkolbenventil 4.. Auch dieses Kolbenventil wird durch zwei Federn 24., 25 in
dem Zylinderkopf i in der Schwebe gehalten. Die obere Begrenzungswand 26 der Nut
5 und die untere Begrenzungswand 27 dieser Nut bilden die Steuerkanten für die in
dem Zylinderkopf i vorgesehenen Druckkanäle 28, die in den Raum 29 führen, an den
der Windkessel angeschlossen ist.
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Der die Nabe io bildende becherförmige Kolben ragt mit seinem offenen
Ende in eine Kammer 3o hinein, die durch radiale Kanäle .°31 mit dem Raum 29 in
Verbindung steht, in welchem der Windkesseldruck herrscht. Dadurch ist auch die
Ringfläche i9 zwischen dein Kolben io und der Spindel 15 unter den Windkesseldruck
gesetzt, der somit auf Schließen des Druckkolbenv entils 23 wirkt.
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Auch hier wird das Kolbenventil 23 durch die Federn 2q., 25 in der
aus Fig. 4 ersichtlichen Lage gehalten, wenn weder im Windkessel noch im Zylinder
2 ein Überdruck herrscht, um auch für den Fall, daß der Verdichter in ein vorhandenes
Preßluftnetz eingebaut ist, sicher zu sein, daß der Zylinder i gegen die Druckleitung
29 abgeschlossen ist.
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Die Feder 25, durch die das selbsttätige Schließen des Druckventils
23 herbeigeführt wird, hat eine größere Arbeit zu leisten als die Öffnungsfeder
24 des Druckventils. Die Feder 25 kann um die Kraft, durch welche das Kolbenventil
infolge der Wirkung des Windkesseldruckes auf die Ringfläche i9 belastet ist, schwächer
ausgeführt werden, als wenn sie allein die ganze Schließkraft zu bewältigen hätte.
Es ist dadurch eine weichere Federung beim Schließen erzielt und ermöglicht, beide
Federn 2.4, 25 nur so groß zu bemessen, daß sie die Massenbeschleunigungen des Ventils
aufnehmen.
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Die Druckfläche 2o der Nabe io ist im Verhältnis zu den Spannungen
der Federn 24., 25 und der Belastung der Ringfläche i9 durch den Windkesseldruck
so groß gewählt, daß bei dem auf dem Druckhub des Kolbens 3 im Zylinder 2 erzeugten
Überdruck das Kolbenventil 23 in seine Offünlage kommt.
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Zu Beginn des Druckhubes nimmt das Kolbenventi123 die aus Fig.5 ersichtliche
Schließlage ein. Mit steigendem Druck im Zylinder 2 hebt sich das Kolbenventil 23,
da der Überdruck auf die Fläche 2o der Nabe io die Kraft der Feder 25 zuzüglich
der Belastung der Ringfläche i9 durch den Windkesseldruck überwiegt. Kurz nach Erreichen
der Lage nach Fig. q. öffnet das Kolbenventil 23 und kommt in die Lage nach Fig.
6, so daß die Druckluft aus dem Zylinder 2 durch die Druckkanäle 28 in den Raum
29 und von diesem zum Windkessel treten kann. Bei weiterem Aufwärtsgang des Kolbens
3 beginnt infolge des Druckabfalles im Zylinder?, das Kolbenventil23 sich zu senken,
ist also auf dieser Strecke gegenläufig zum Kolben 3, da dann die Kraft der beim
Auswärtsgang des Kolbenventils gespannten Feder 25 zuzüglich der Belastung der Ringfläche
i9 den Zylinderdruck überwiegt.
Vor Beginn der Entstehung eines
Unterdruckes im Zylinder 3 hat das Kolbenventil 23 bei dem Abwärtsgang die Lage
nach Fig. 4 überschritten und ist in seine unterste Endlage nach Fig. 5 gekommen.
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Auch bei dem Saugventil 4 kann zur Entlastung der Feder 13 die Kammer,
in welche der Kolben io eintaucht, unter den Windkesseldruck gesetzt werden. Auch
kann an Stelle der Ringfläche ig der Nabe io eine anders gelegene, mit dem Kolbenventil
verbundene Fläche unter dem Windkesseldruck stehen. Beispielsweise können das Innere
der Haube 17 unter den Windkesseldruck und die Kanäle 31 mit der Außenluft in Verbindung
gesetzt werden.