EP1220991B1

EP1220991B1 - Mehrstufiger membranverdichter

Info

Publication number: EP1220991B1
Application number: EP00983014A
Authority: EP
Inventors: Christie St Clair Cunningham
Original assignee: Winter Ingeborg
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1999-10-11
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2020-10-10
Also published as: ATE323832T1; AU1993801A; WO2001027475A1; DE50012614D1; DE10083104D2; EP1220991A1

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Membranverdichter zur Verdichtung von Gasen.
Bekanntermaßen haben Membranverdichter zur Komprimierung von Fluiden gegenüber herkömmlichen Kolbenverdichtern Vorteile, insbesondere bezüglich der Abdichtung, auftretenden Leckverlusten und daraus resultierenden Kontaminationsproblemen, die für Kolbenverdichter typisch sind.
Der Hauptnachteil der bekannten Membranverdichter besteht im Verschleiß der Membranen, infolge der ständigen Verbiegung des elastischen Membranmaterials (bisher Stahlbleche) durch die wirkenden Kräfte, die entweder direkt mechanisch bzw. auch hydraulisch auf die Membran wirken. Wird die Membran zum Ansaugen und Verdichten eines Fluides indirekt mit einer Hydraulikflüssigkeit bewegt, treten insbesondere durch eine unvollständige Befüllung mit Hydraulikflüssigkeit oder eine Überfüllung Probleme bezüglich verringerter Förderleistung, geringerem Verdichtungsdruck oder Beschädigung der Membran auf.
Für viele Einsatzfälle und hier insbesondere für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen mit gasförmigen Kraftstoffen, wie Erdgas, ist es erforderlich, ein solches Gas, sowohl für die Speicherung, wie auch für die Betankung relativ hoch zu komprimieren, wobei Enddrücke im Bereich von 250 bar gewünscht werden.
So sind mehrstufige Membranverdichter aus US 3,276,673, US 3,208,664 und US 3,354,831 prinzipiell bekannt.
Die in US 5,368,451 beschriebene Lösung betrifft eine Dosierpumpe und in DE 37 04 588 A1 ist ein hydraulisches System für eine Membranmaschine beschrieben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen mehrstufigen Membranverdichter für Gas zur Verfügung zu stellen, mit dem hohe Kompressionsdrücke, mit hoher Effektivität und ein zuverlässiger Betrieb erreicht werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem mehrstufigen Membranverdichter gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.
Der erfindungsgemäße mehrstufige Membranverdichter verwendet je nach gefordertem Kompressionsenddruck eine bestimmte Anzahl von Verdichterstufen, die pneumatisch miteinander in Reihe verschaltet sind. Dabei werden mindestens zwei solcher Verdichterstufen, die jeweils aus einer Kolben-Zylindereinheit, einer Membran und einer Kammer gebildet sind, verwendet. Die Kolben-Zylindereinheiten sind in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander, radial um die Drehachse einer Nocken- oder Exzenterwelle, mit der die jeweiligen Kolben translatorisch hin- und herbewegt werden, angeordnet. Außerdem sind an die Zylinder Zuleitungen zur Befüllung der Zylinder mit einer Flüssigkeit angeschlossen. Die Flüssigkeit wird über die Zuleitungen aus einem die Flüssigkeit enthaltenden Sumpf in die Zylinder geführt.
Die Zylinder, in denen die Flüssigkeit aufgenommen ist und die Kammern, in die das zu komprimierende bzw. höher zu komprimierende Gas über einen Gaseinlass und nach Ausführung des Verdichtungstaktes über einen Gasauslass die Kammer wieder verlässt, sind mittels einer Membran fluiddicht getrennt. Dabei sind in den Zuleitungen für die Flüssigkeit und auch in den Gasein- und Gasauslässen Rückschlagventile angeordnet, so dass Flüssigkeitsleckverluste ausschließlich zwischen Kolben und Zylinderwandung auftreten können und entsprechend gering sind.
Bei einem erfindungsgemäßen zweistufigen Membranverdichter sollen die zwei Kolben-Zylindereinheiten mit den zugehörigen Kammern sich diametral gegenüberliegend, wie dies auch bei Boxermotoren der Fall ist, angeordnet sein.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, mindestens drei Kolben-Zylindereinheiten mit zugehörigen Kammern in einem Winkelabstand von jeweils 120° oder entsprechend weniger zueinander anzuordnen.
Werden mehr als zwei Verdichterstufen gefordert, um einen entsprechend hohen Kompressionsenddruck zu erreichen, können auch mehrere Kolben-Zylindereinheiten mit den zugehörigen Kammern, die jeweils eine Verdichterstufe bilden, in einer Ebene (z.B. mit parallel zur Horizontalen bzw. Vertikalen angeordneten Zylinderlängsachsen) in Reihe angeordnet werden. Beispielsweise bei einem vierstufigen Membranverdichter können aber auch die einzelnen Verdichterstufen mit ihren Kolben-Zylindereinheiten in Winkelabständen von 90° angeordnet werden, so dass beispielsweise zwei Kolben-Zylindereinheiten sich diametral gegenüberliegend in horizontaler Richtung und die beiden anderen Kolben-Zylindereinheiten sich ebenfalls diametral gegenüberliegend in vertikaler Richtung ausgerichtet, angeordnet sind.
Die Flüssigkeit, die im Zylinder zur entsprechenden Bewegung der jeweiligen Membran vorhanden sein soll, kann aus einem am Boden eines Gehäuses vorhandenen Sumpf oder einem zusätzlichen Tank durch die Zuleitungen zu den einzelnen Zylindern bei der Bewegung des jeweiligen Kolbens in Richtung auf den unteren Totpunkt (unterer Umkehrpunkt) angesaugt und gegebenenfalls aufgetretene Leckverluste können entsprechend ausgeglichen werden. Bei der entgegengesetzten Bewegung des Kolbens, also in Richtung auf den oberen Totpunkt (oberer Umkehrpunkt), verhindert ein in der jeweiligen Zuleitung angeordnetes Rückschlagventil ein Rückströmen der Flüssigkeit. Bevorzugt werden geeignete Hydrauliköle, die zusätzlich auch die Schmierung von Kolben, Zylindern und den Antriebselementen sichern und die das elastomere Membran-Material nicht angreifen, eingesetzt.
Dabei sollten die Zylinderbohrung und der vom Kolben zwischen den beiden Totpunkten zurückgelegte Weg so ausgelegt sein, dass das entsprechende Hubvolumen zweier nachfolgender Verdichterstufen im nahezu gleichen Verhältnis, wie die erreichbaren Druckverhältnisse am Ende der Verdichtungstakte der beiden Verdichterstufen zugeordnet sein soll.
Zur Verringerung von Verschleiß, Reibung und Reibverlusten ist es günstig, auf einer Exzenterwelle Wälzlager zu befestigen, wobei jedes dieser Wälzlager an einem Kolben einer Verdichtungsstufe angreift und dessen translatorische Hin- und Herbewegung steuert.
Insbesondere für die Bewegung der Kolben in Richtung auf den unteren Totpunkt (bottom dead center - BDC) ist es vorteilhaft, den jeweiligen Kolben in dieser Richtung wirkend, mit einer Druckkraft zu beaufschlagen, was im einfachsten Fall mit einer entsprechend im Zylinder angeordneten und fixierten Druckfeder erreicht werden kann.
Dabei sollen zu Membranen in ihrem Zentrum einen zentralen versteiften Bereich, beispielsweise eine mit dem elastomeren Teil der Membran verbundene Metallplatte, aufweisen. Der Bereich der Membran um den zentralen versteiften Bereich bleibt weiterhin elastisch, und der periphere äußere Rand der Membran sollte so geformt sein, dass er im Gehäuse des Membranverdichters form- und/oder kraftschlüssig gehalten werden kann.
Insbesondere, wenn das Befüllen bzw. Nachfüllen der Zylinder mit Flüssigkeit allein durch Ansaugen infolge der Kolbenbewegung in Richtung auf den unteren Totpunkt erfolgt, ist zur Sicherung eines ausreichenden Flüssigkeitsvolumens im Zylinder, am oberen Rand des jeweiligen Zylinders eine Schulter ausgebildet, die orthogonal zur Bewegungsrichtung des Kolbens ausgerichtet ist und auf der sich der zentrale versteifte Bereich der Membran vor Erreichen der unteren Totpunktstellung anlegt. Danach kann bis zum Erreichen des unteren Totpunktes durch die Zuleitung, deren Öffnung in den Zylinder unterhalb des oberen Randes des Zylinders angeordnet ist, Flüssigkeit in den Zylinder angesaugt werden. Eine solche Schulter kann aber auch in Form eines Konus ausgebildet sein, wobei in diesem Fall der zentrale versteifte Bereich der Membran ebenfalls entsprechend komplementär konisch ausgebildet werden sollte.
Für bestimmte Anordnungen für Kolben-Zylindereinheiten und hier solchen, die oberhalb der Drehachse der Nocken- bzw. Exzenterwelle angeordnet sind, kann es vorteilhaft sein, die Befüllung des Zylinders mit Flüssigkeit mit Hilfe einer zusätzlichen Förderpumpe allein oder zusätzlich und möglichst in dosierter Form durchzuführen.
In diesem Fall kann eine entsprechende Förderpumpe im Flüssigkeitssumpf angeordnet sein, und eine Membran- oder Kolbenpumpe, die hierfür eingesetzt wird, kann ebenfalls über die Nocken- oder Exzenterwelle angetrieben werden, wobei die Befüllung mit einem bestimmten jeweils gleichen Flüssigkeitsvolumen jeweils bei der Bewegung des Kolbens in Richtung auf den unteren Totpunkt erfolgt.
Zur Schonung des peripheren, elastischen Bereichs der Membran und zur Verdrängung von Flüssigkeit ist der sich an die Schulter bzw. einen Rand ohne Schulter anschließende Teil des Zylinders abgeschrägt, was sinngemäß auf den entsprechenden Randbereich der Kammer für das zu komprimierende Gas zutrifft. An diesen abgeschrägten Rändern kann sich der flexible Randbereich der Membran in der unteren Totpunktstellung und in der oberen Totpunktstellung (top dead center - TDC) anlegen. Bei der Bewegung des entsprechenden Kolbens in Richtung auf den unteren Totpunkt legt sich der flexible Randbereich der Membran zuerst an die Schräge an und kann sukzessive die dort noch vorhandene Flüssigkeit in den Zylinder zurück verdrängen.
Aus Sicherheitsgründen kann an den Zylinder ein Sicherheitsventil angeschlossen werden, dessen Öffnungsdruck größer als der maximal zu erwartende bzw. im Zylinder auftretende Arbeitsdruck der Flüssigkeit ist.
Vorteilhaft kann es außerdem sein, auch die Membranen, z.B. mit in den Zylindern angeordneten und fixierten Druckfedern, vorzuspannen, Diese Federn sollten vorzugsweise an den zentralen versteiften Bereich der Membranen angreifen.
Vorteilhaft kann es außerdem sein, solche Kolben, die abweichend von der horizontalen Ebene translatorisch hin- und herbewegt werden, als in Richtung auf die jeweilige Membran offene Hubkolben auszubilden, so dass sie tassenförmig ausgebildet sind und im gebildeten Hohlraum die Flüssigkeit enthalten ist. So kann die Masse der Kolben reduziert werden.
Bei Kolben, die im Wesentlichen unterhalb der Drehachse der Exzenter- oder Nockenwelle angeordnet sind, sollte in der nach oben weisenden Stirnfläche, also der Stirnfläche, die gegen die Nocken-, Exzenterwelle oder ein darauf befestigtes Wälzlager drückt, eine Entlüftungsbohrung mit kleinem Durchmesser ausgebildet sein, durch die nur geringfügig Flüssigkeitsleckverluste austreten, im Zylinder vorhandene Luft aber entweichen kann.
So kann Gas in mehreren Verdichtungsstufen mit einem erfindungsgemäßen Membranverdichter komprimiert werden, in dem beispielsweise mit einem Elektromotor gegebenenfalls über ein Getriebe eine Exzenter- oder Nockenwelle angetrieben wird. Durch die Drehung dieser Welle werden die Kolben der entsprechend verwendeten Verdichterstufen zwischen dem oberen und unteren Totpunkten translatorisch hin- und herbewegt. Dabei kann durch entsprechende Druckdifferenzen im jeweiligen Zylinder, in dem Flüssigkeit enthalten ist und der mittels einer Membran vom Zylinder getrennten Kammer entsprechend der Bewegungsrichtung des Kolbens Gas angesaugt oder komprimiert verdrängt werden. So wird bei der Bewegung des Kolbens in Richtung auf den unteren Totpunkt, also in Richtung auf die Drehachse der Nocken- oder Exzenterwelle und gleichzeitige Biegung der Membran in diese Richtung, das Volumen der Kammer vergrößert und das Gas durch den Gaseinlass und ein darin oder daran vorhandenes Rückschlagventil in die Kammer gesaugt. Nach Bewegungsrichtungsumkehr des Kolbens wirkt die Flüssigkeit durch Verringerung des Volumens im Zylinder gegen die Membran und diese wird in die gleiche Richtung, in die sich auch der Kolben bewegt, gebogen, so dass das Kammervolumen verringert und demzufolge das darin enthaltende Gas komprimiert und über den Gasauslass, in dem ebenfalls ein Rückschlagventil angeordnet ist, verdrängt wird. Von dort kann es durch einen entsprechend weiteren Gaseinlass in eine Kammer einer nachfolgenden Verdichtungsstufe, in der eine weitere Komprimierung des Gases erreicht wird, oder aus der letzten Verdichterstufe in einen Gasspeicher gepresst werden.
Bei der Bewegung der Kolben der einzelnen Verdichterstufen in Richtung auf den unteren Totpunkt kann Flüssigkeit über jeweils eine Zuleitung in den Zylinder gesaugt werden, wobei auch hier in den Zuleitungen Rückschlagventile, die ein Zurückströmen von angesaugter Flüssigkeit verhindern, angeordnet sein sollten.
Durch entsprechende Ausbildung und Anordnung der Austrittsöffnung aus den Zuleitungen, der Membrane und Zylinder kann gesichert werden, dass im Zylinder insbesondere beim Verdichtungstakt immer ein ausreichendes Flüssigkeitsvolumen, möglichst im Überschuss enthalten ist, so dass sämtliche Leckverluste des vorherigen Kompressionstaktes ausgeglichen werden können. Ein in der Praxis vorhandener geringer Überschuss kann bei Erreichen des oberen Totpunktes über ein Sicherheitsventil entweichen.
Dieser Effekt kann selbstverständlich auch auf anderem Wege mit Elementen, wie z.B. mit der bereits erwähnten Förderpumpe erreicht werden.
An den Gasverbindungsleitungen, über die die einzelnen Verdichterstufen und ein Gasspeicher angeschlossen werden können, sollten vorteilhafterweise Drucksensoren vorhanden sein, mit denen nach Über- bzw. nach Unterschreiten vorgebbarer Maximal- bzw. Minimaldruckwerte eine Fehleranzeige oder eine Abschaltung des Antriebes für den Membranverdichter erreichbar sind.
Normalerweise ist ein mit einem solchen Element geförderter Überschuss lediglich für die erste Verdichtungsstufe erforderlich. In den anderen Verdichtungsstufen können Leckverluste durch Ansaugen von Flüssigkeit aus einem Sumpf mittels eines, bei Bewegung des Kolbens zum unteren Totpunkt erzeugten Unterdruckes ausgeglichen werden.
Es wäre Ideal, die Kammer genau auf das Fördervolumen abzustimmen. Ist die Kammer aber nur geringfügig kleiner, kann ein höherer Hydraulikdruck auftreten. Zur Verhinderung eines solchen Risikos und um vertretbare Herstellungstoleranzen zu ermöglichen, kann es außerdem vorteilhaft sein, das Volumen der Kammer der Verdichterstufen um mindestens 2,5%, bevorzugt um ca. 10% größer zu wählen, als das Hubvolumen der jeweiligen Kolben-Zylindereinheit, wodurch ebenfalls gesichert werden kann, dass der Verdichtungstakt problemlos durchgeführt werden kann.
Zur Vermeidung, dass die Membran den Gasauslass verschließt, bevor das komprimierte Gas aus der Kammer beim Verdichtungstakt vollständig verdrängt worden ist, kann an der Innenwandung der Kammer, an der der Gasauslass angeordnet ist, ein elastisches Element, beispielsweise ein Gummipuffer, der in das Innere der Kammer hineinragt, eingesetzt werden, gegen das die Membran am Ende des Verdichtungstaktes gedrückt wird.
Vorteilhafterweise kann komprimiertes Gas gekühlt werden, wobei eine Kühlung nachfolgend an mindestens eine Verdichterstufe erfolgen kann. Dabei kann eine zwischen bzw. im Anschluß an mindestens eine Verdichterstufe vorhandene Gasführungsleitung, durch die das entsprechend komprimierte Gas geführt wird, gegebenenfalls mit Hilfe von zusätzlichen Wärmetauschern luft- oder wassergekühlt werden.
Zur Detektion von Membrandefekten kann in einer Leitung für komprimiertes Gas einen Sensor bzw. Detektor vorgesehen werden, mit dem erkannt werden kann, ob im komprimierten Gas Öl mitgeführt wird. Ein solcher Sensor kann beispielsweise eine Lichtquelle mit entsprechend zugehörig angeordnetem optischen Detektor sein, mit dem die Lichtintensität des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtes gemessen werden kann. Befindet sich Flüssigkeit, z.B. Öl im komprimierten Gas, sinkt der Messwert für die Lichtintensität und ein Membrandefekt kann diagnostiziert werden. Vorteilhafterweise ist ein solcher Sensor nachfolgend an den Gasauslass der letzten Verdichterstufe angeordnet.
Der erfindungsgemäße Membranverdichter zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Verdichtern durch eine sichere Trennung von Gas und Flüssigkeit oder anderen kontaminierenden Bestandteilen aus. Er erfordert insbesondere wegen der günstigen Schmierungsverhältnisse an allen beweglichen Teilen geringere Fertigungstoleranzen.
Er kann einfach montiert werden, so dass geringe Fertigungskosten erreichbar sind. Bedingt durch den einfachen Aufbau und Montage können auch gegebenenfalls erforderliche Reparaturen einfach und schnell ausgeführt werden, wobei durch Drehen des Gehäuses um die Welle nach Öffnen des Gehäuses bzw. Gehäuseteilen, die Zugänglichkeit der einzelnen Elemente erreicht werden kann.
Obwohl das komprimierte Gas ölfrei ist, wird durch den Aufbau und das eingesetzte Funktionsprinzip eine sichere und ausreichende Schmierung, insbesondere auch für die translatorisch hin und her bewegten Kolben, mit dem erhöhten Flüssigkeitsdruck gesichert. Bei den Kolben kann auf die üblicherweise verwendeten Kolbenringe verzichtet werden.
Allein durch Variation der Antriebsdrehzahl können gewünschte Volumenströme erreicht werden. Zur Beeinflussung der Antriebsdrehzahl kann neben der Regelung eines Elektromotors auch ein Getriebe zwischengeschaltet werden, was im einfachsten und kostengünstigsten Fall ein Riemengetriebe sein kann. Bei hohen geforderten Volumenströmen kann es erforderlich sein, eine Vorverdichtung des zu komprimierenden Gases vor der ersten Verdichterstufe, beispielsweise mit einem einfachen Radialverdichter, vorzusehen.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

Figur 1: eine Schnittdarstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Membranverdichters;
Figur 1a: einen gegenüber dem in Figur 1 gezeigten Beispiel modifizierten Membranverdichter in einer Schnittdarstellung;
Figur 2: eine um 90° gedrehte Ansicht, in einer Schnittdarstellung, des in Figur 1 gezeigten Beispiels;
Figur 2a: das in Figur la gezeigte Beispiel in einer um 90° gedrehten Ansicht in einer Schnittdarstellung;
Figur 3: eine Förderpumpe für Flüssigkeit in drei verschiedenen Betriebsstellungen;
Figur 4: schematische Darstellungen von Zylinder und Kammer trennenden Membranen in unterschiedlichen Betriebszuständen;
Figur 5: ein Beispiel eines Gaseinlassventiles;
Figur 6: ein Beispiel eines Gasauslassventiles;
Figur 7: Beispiele von Randausbildungen der Membran zur kraft- und formschlüssigen Fixierung der Membran in einem Gehäuse;
Figur 8: ein Beispiel eines druckgesteuerten Sicherheitsventiles.

Mit den Figuren 1, 1a, 2 und 2a sind Beispiele eines erfindungsgemäßen Membranverdichters 100 mit jeweils vier Verdichtungsstufen 1 bis 4 schematisch in unterschiedlichen Ansichten dargestellt. Bei einem Verdichtungsverhältnis in den einzelnen Verdichtungsstufen von jeweils 1:4 kann ein Enddruck von ca. 256 bar, bei einem Ausgangsdruck, der an einem Gaseinlass 9 an der Verdichtungsstufe 1 von nur wenigen kPa über dem Atmosphärendruck anliegt, erreicht werden.
Bei den in den Figuren 1, 1a, 2 und 2a gezeigten Beispielen sind die die Verdichtungsstufen bildenden Kolben-Zylindereinheiten mit Membran 5 und den Kammern 8 in einem Winkelabstand von jeweils 90° um die Drehachse der hier verwendeten Exzenterwelle 18 angeordnet.
In sämtlichen Figuren wurde auf die Darstellung der Verbindungsleitungen für das Gas, über die das komprimierte Gas von Verdichtungsstufe zu Verdichtungsstufe geführt wird, verzichtet. In den in Figuren 1 und 1a gezeigten Ansichten, sind lediglich die Verdichtungsstufen 1 und 2 erkennbar, die sich diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Dementsprechend kann gesichert werden, dass zu Zeitpunkten, an denen sich der Kolben 13 der hier vertikal oben angeordneten Verdichtungsstufe 1 im unteren Totpunkt befindet, also der Ansaugtakt ausgeführt worden ist, sich der Kolben 13 der Verdichtungsstufe 2 in seinem oberen Totpunkt befindet, also der Verdichtungstakt ausgeführt worden ist. Sinngemäß trifft dies auch auf die in den Figuren 2 und 2a erkennbaren Verdichtungsstufen 3 und 4 zu.
Die Exzenterwelle 18 ist mit Wälzlagern im Gehäuse 6 des Membranverdichters 100 gelagert, und auf dem exzentrisch ausgebildeten Teil der Exzenterwelle 18 sind wälzlager 17 aufgebracht, wobei mit jedem der Wälzlager 17 ein Kolben 13 einer Verdichtungsstufe 1 bis 4 mit einer Stirnfläche in Kontakt steht und bei Drehung der Exzenterwelle 18 translatorisch hin- und herbewegt werden kann.
Zur Sicherung eines innigen Kontaktes der Stirnfläche des jeweiligen Kolbens 13 mit der Oberfläche seines zugeordneten Wälzlagers 17 und hier insbesondere für die Rückbewegung zum jeweiligen unteren Totpunkt, sind in den Zylindern 7 Federn 35 fixiert, die den Kolben 13 mit einer entsprechenden Druckkraft in die gewünschte Richtung beaufschlagen.
An der Exzenterwelle 18 sind beidseitig zu dem exzentrisch ausgebildeten Teil Ausgleichsmassen 32 ausgebildet oder daran befestigt, um Unwuchten beim Drehen der Exzenterwelle 18 zu vermeiden.
An jeder Kammer 8 einer Verdichtungsstufe 1 bis 4 ist ein Gaseinlass 9 und ein Gasauslass 10 vorhanden, in denen entsprechend der gewünschten Strömungsrichtung des Gases Rückschlagventile 33 und 34 angeordnet sind.
Im unteren Teil des Gehäuses 6 ist ein Sumpf 14 einer geeigneten und für den Betrieb des Membranverdichters erforderlichen Flüssigkeit, beispielsweise einem Hydrauliköl, mit einem bestimmten Ölstand 15 vorhanden, aus dem die Flüssigkeit über die Zuführungen 24, 25, 26 und 27 in die Zylinder 7, der einzelnen Verdichtungsstufen 1 bis 4 gelangen kann. In jeder der Zuführungen 24, 25, 26 und 27 ist ein Rückschlagventil 28, mit dem das Rückströmen der Flüssigkeit aus dem Zylinder 7 in den Sumpf 14 verhindert werden kann, angeordnet.
Bei den hier gezeigten Beispielen von Membranverdichtern 100 erfolgt die Förderung der Flüssigkeit aus dem Sumpf 14 in die Zylinder 7 in die Verdichtungsstufen 2, 3 und 4, ausschließlich durch Saugwirkung während der Ansaugtakte, d.h. bei Bewegung des jeweiligen Kolbens 13 in Richtung auf den jeweiligen unteren Totpunkt.
Bei der hier vertikal oben am Gehäuse 6 angeordneten Verdichtungsstufe 1 erfolgt die Förderung der Flüssigkeit bzw. des Hydrauliköles mit Hilfe der am Boden des Gehäuses 6, im Bereich des Sumpfes 14 angeordneten Kolbenpumpe 16, die ebenfalls von der Exzenterwelle 18 über ein Wälzlager 17 angetrieben wird. Dabei ist die Kolbenpumpe 16 so angeordnet, dass die Flüssigkeit bei Bewegung des Kolbens 21, wie in der rechten Darstellung von Figur 3 gezeigt, in den Zylinder 7 der Verdichtungsstufe 1 gefördert wird, wenn sich der Kolben 13 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt bewegt. Mit einer solchen Kolbenpumpe 16 kann ein definiertes Flüssigkeitsvolumen bei jedem Zyklus in den Zylinder 7 der Verdichtungsstufe 1 gefördert werden, um insbesondere die zwischen Kolben- und Zylinderwand auftretenden Leckverluste auszugleichen und zu sichern, dass der Zylinder 7 immer ausreichend mit Flüssigkeit gefüllt ist.
Nach Ausführung des Ansaugtaktes erfolgt für die jeweilige Verdichtungsstufe 1 bis 4 durch entgegengesetzte Bewegung des Kolbens 13 in Richtung auf seinen oberen Totpunkt die Ausführung des Verdichtungstaktes, wobei die im Zylinder 7 vorhandene Flüssigkeit gegen die den Zylinder 7 und die Kammer 8 trennende Membran 5 wirkt und sich die Membran 5 auf die andere Kammerwand zu bewegt, so dass das Kammervolumen verringert, das darin enthaltene Gas komprimiert und über den Gasauslass 10 entweder in die nachfolgende Verdichtungsstufe oder in einen an die Verdichtungsstufe 4 angeschlossenen Gasspeicher verdrängt wird.
Bei den hier gezeigten Beispielen wurden Membranen 5 aus Elastomer eingesetzt, die einen zentralen versteiften Bereich 101, beispielsweise eine Metallplatte aufweisen. Der sich daran anschließende äußere Randbereich 5a ist dadurch, wie dies insbesondere in Figur 4 erkennbar wird, flexibel und elastisch.
Am jeweils oberen Rand der Zylinder 7 ist eine Schulter 11 ausgebildet, an der sich bei Ausführung des Ansaugtaktes, also Bewegung des jeweiligen Kolbens 13 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt, bevorzugt vor dessen Erreichen der zentrale versteifte Bereich 101 der Membran 5 anlegt. Dadurch kann in dem so verschlossenen Zylinder 7, bei Weiterbewegung des Kolbens 13 zum unteren Totpunkt, ein Unterdruck generiert und Flüssigkeit in den Zylinder 7 angesaugt werden.
Der sich an die Schulter 11 anschließende Bereich des Zylinderrandes ist abgeschrägt ausgebildet, so dass sich der flexible Randbereich 5a der Membran 5 bei Ausführung des Ansaugtaktes daran schonend anlegen kann und die dort noch befindliche Flüssigkeit sicher verdrängt wird. Zur Schonung des flexiblen Randbereiches 5a ist auch der Rand der Kammer 8 entsprechend abgeschrägt ausgebildet.
Insbesondere an der Verdichtungsstufe 1 ist an der oberen Kammerwand ein elastisches Element, hier ein Gummipuffer 31 angeordnet, der zumindest soweit in das Innere der Kammer 8 hineinragt, dass bei Ausführung des Verdichtungstaktes, der Gasauslass 10 nicht vor der vollständigen Verdrängung des komprimierten Gases aus der Kammer von der Membran 5 verschlossen wird.
An der Verdichtungsstufe 1 ist auch ein einstellbares Sicherheitsventil 30, das an den Zylinder 7 angeschlossen ist, dargestellt. Mit einem solchen Sicherheitsventil 30 können Überdrücke im Zylinder 7 vermieden und überschüssiges Flüssigkeitsvolumen abgeführt werden, wenn der Öffnungsdruck des jeweiligen Sicherheitsventils 30 geringfügig (z.B. 0,5 bar) über dem maximal zulässigen Druck im Zylinder 7 und dementsprechend auch dem Maximaldruck in der Kammer 8 bei Ausführung des Verdichtungstaktes, liegt. Selbstverständlich können solche Sicherheitsventile 30 auch an allen vier Verdichtungsstufen 1 bis 4 vorhanden sein.
Bei den hier gezeigten Beispielen sind die Kolben 13 der Verdichtungsstufen 1 und 2 tassenförmig und hohl ausgebildet. Beim sich unterhalb der Drehachse der Exzenterwelle 18 angeordneten Kolben 13, der Verdichtungsstufe 2 ist in seiner hier oberen Stirnfläche, die in Richtung auf die Exzenterwelle 18 weist, eine Entlüftungsbohrung 13.1 mit einem Durchmesser von ca. 0,3 mm ausgebildet, mit der das Entweichen von eingedrungener Luft nach Betriebspausen des Membranverdichters 100 erreicht werden kann, die aber wegen der so kleinen Entlüftungsbohrung 13.1 nur einen geringen Flüssigkeitsleckverlust zulässt.
Bei der Membran 5, die für die Verdichtungsstufe 1 verwendet worden ist, wurde auf eine Feder 12, mit der die Membran 5 vorgespannt wird, verzichtet, da eine Kraftwirkung in Richtung auf den unteren Totpunkt, allein schwerkraftbedingt erreicht werden kann. Bei den anderen Verdichtungsstufen, sind an den Membranen 5 entsprechende Federn 12 vorhanden, um diese Bewegung zu unterstützen.
Das in den Figuren 1a und 2a gezeigte Beispiel eines Membranverdichters 100 unterscheidet sich gegenüber dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Beispiel im Wesentlichen durch die Anordnung der Zuführung 25 für Flüssigkeit in den Zylinder 7 der Verdichtungsstufe 2 und die zusätzliche Darstellung von Gaseinlass und -auslass 9 und 10 mit Rückschlagventilen 33 und 34 an der Verdichtungsstufe 1.
In den Figuren 2 und 2a ist die Förderpumpe 16 in versetzter Anordnung dargestellt, um das Funktionsprinzip deutlicher herauszustellen. Tatsächlich ist die Kolbenpumpe 16 fluchtend zum Kolben 13 der Verdichtungsstufe 2 unter der Drehachse der Exzenterwelle 18 angeordnet.
In Figur 1 rechts unten und der Figur 3 ist der Aufbau einer solchen Kolbenpumpe 16 schematisch dargestellt. Der Kolben 21 ist im Zylinder 20 geführt und wird mit der Druckfeder 22 gegen ein Wälzlager 17 vorgespannt, so dass sich der Kolben bei Drehung der Exzenterwelle auf und ab bewegen kann, wie dies in den verschiedenen Darstellungen von Figur 3 erkennbar ist. In der in Figur 3 links dargestellten Position befindet sich der Kolben 21 in seiner obersten Position und die Zuführöffnung 19 ist frei gegeben. Durch Weiterdrehen der Exzenterwelle wird der Kolben 21 nach unten bewegt, die Zuführöffnung 19 verschlossen und die im Zylinder 20 enthaltene Flüssigkeit durch das am unteren Teil des Zylinders 20 angeordnete Rückschlagventil 23 in die Zuführung 24 und von dort über das weitere Rückschlagventil 28 in den Zylinder 7 der Verdichtungsstufe 1 gefördert. Die Zuführöffnung 19 ist unterhalb des Ölstandes 15 angeordnet.
Die in den Figuren 1, 1a, 2 und 2a gezeigten Beispiele können aber auch dahingehend modifiziert werden, dass nicht wie hier gezeigt ein Vierstufen-Membranverdichter 100, sondern lediglich ein zweistufiger Membranverdichter 100 ausgebildet wird. Dazu kann auf die Verdichtungsstufen 1 und 2 oder die Verdichtungsstufen 3 und 4 verzichtet werden.
Die Membranen 5 bestehen aus einem geeigneten flexiblen Material, wie beispielsweise ein solches, das unter der Handelsbezeichnung "Viton" erhältlich ist und die ansonsten flexible Membran 5 ist in ihrem zentralen Bereich 101 mit der bereits erwähnten Metallscheibe oder in anderer Form versteift, so dass die Membran 5 in diesem kritischen Bereich ausreichend stabil ist und insbesondere bei hohen Drücken den entsprechend wirkenden hohen Kräften widerstehen kann. Außerdem sichert der zentrale versteifte Bereich 101, dass beim Anlegen an die Schulter 11 keine weitere Durchbiegung der Membran auftreten kann.
Mit den Federn 12 wird eine Kraftwirkung auf die Membranen 5 ausgeübt, so dass bei Ausführung des Ansaugtaktes der flexible Randbereich 5a in Richtung auf die Schulter 11 abrollt und dass die sich zwischen dem flexiblen Randbereich 5a und der abgeschrägten Zylinderwand befindliche Flüssigkeit vollständig verdrängt wird, bevor der zentrale versteifte Bereich 101 auf der Schulter 11 aufsitzt und so Ölverluste vermieden werden können.
In Figur 4 sind verschiedene Positionen der Membran 5 dargestellt, die unterschiedlichen Betriebszuständen einer Verdichterstufe entsprechen. Dabei zeigen die Figuren 4a bis 4d eine Membran 5 allein, wie sie beispielsweise bei der Verdichterstufe 1 einsetzbar ist und die Figuren 4e bis 4h eine Membran 5 mit zusätzlicher Feder 12.
Bei den Figuren 4a und 4e befindet sich die Membran 5 kurz vor bzw. am Ende des Verdichtungstaktes, bei dem sich der jeweilige Kolben 13 kurz vor bzw. an seinem oberen Totpunkt befindet.
Nach Bewegungsrichtungsumkehr des Kolbens 13 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt verringert sich der Druck im Zylinder 7 und die Membran bewegt sich, wie mit den Figuren 4b bis 4d und 4f bis 4h in die gleiche Richtung. Dabei wird deutlich, dass diese Bewegung mittels der Feder 12 unterstützt und beschleunigt werden kann. Bei dieser Bewegung der Membran 5 legt sich der flexible Randbereich 5a an die Schräge der Zylinderwand an, verdrängt dort gegebenenfalls noch vorhandene Flüssigkeit durch den Spalt zwischen versteiftem Bereich 101 der Membran 5 und der Schulter 11, bis sich der versteifte zentrale Bereich 101 abdichtend an die Schulter 11 anlegt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Kammer 8 durch Ansaugen von Gas vollständig befüllt und bei Weiterbewegung des Kolbens 13 in Richtung auf den unteren Totpunkt verringert sich der Druck im Zylinder 7, so dass durch die jeweilige Zuführung 24, 25, 26 und 27 Flüssigkeit in den Zylinder 7 angesaugt werden kann.
Die Figur 5 zeigt ein Beispiel eines Einlassventiles 33 für Gas in einer Explosions- und einer Schnittdarstellung.
Figur 6 zeigt entsprechend ein Auslassventil für Gas in einer Explosions- und Schnittdarstellung.
Beispiele für die Ausbildung des radial äußeren Randes der Membran 5, der kraft- und/oder formschlüssig im Gehäuse 6 gehalten werden kann, sind in Figur 7 dargestellt. Dabei ist insbesondere das rechts dargestellte Beispiel zu bevorzugen.
In der Figur 8 ist ein Beispiel eines druckgesteuerten Sicherheitsventiles 30 dargestellt, bei dem zur Steuerung sowohl der Druck in der Kammer 8, wie auch im Zylinder 7, der jeweiligen Verdichtungsstufe genutzt werden kann.

Claims

Mehrstufiger Membranverdichter für Gase, bei dem mindestens zwei Kolben-Zylindereinheiten (7, 13) in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander, um die Drehachse einer Nocken- oder Exzenterwelle (18) angeordnet sind; dass die Zylinder (7) zur Befüllung mit einer Flüssigkeit über Zuleitungen (24, 25, 26, 27) mit einem eine Flüssigkeit enthaltenden Sumpf (14) verbunden sind, dass die Zylinder (7) von Kammern (8) mittels einer Membran (5) getrennt, an die Kammern (8) jeweils ein Gasein- und ein Gasauslass (9, 10) mit jeweils einem Rückschlagventil (33, 34) angeschlossen sind und jeweils eine Kolben-zylindereinheit (7, 13) mit Membran (5) und Kammer (8) eine Verdichterstufe (1, 2, 3, 4) bilden,
dadurch gekennzeichnet, dass in den Zuleitungen (24, 25, 26, 27) Rückschlagventile (28) vorhanden sind,
und die Membranen (5) einen zentralen versteiften Mittelteil (101) und einen äußeren flexiblen Randbereich (5a) aufweisen und der obere Rand der Zylinder (7) in Form einer Schulter (11) zur Anlage eines Teiles des zentralen versteiften Bereiches (101) vor Erreichen der unteren Totpunktstellung des jeweiligen Kolbens (13), ausgebildet ist und der sich an die Schulter (11) anschließende periphere Randbereich des oberen Randes des Zylinders (7) und der entsprechende Randbereich der Kammer (8), an denen sich in der oberen und unteren Totpunkt-stellung des Kolbens (13) der flexible Randbereich (5a) der Membran (5) anlegt, abgeschrägt sind.
Membranverdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kolben-Zylindereinheiten (7, 13) mit zugehörigen Kammern (8) sich diametral gegenüberliegend, angeordnet sind.
Membranverdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Kolben-Zylindereinheiten (7, 13) mit zugehörigen Kammern (8) in einem Winkelabstand von 120° zueinander angeordnet sind.
Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kolben-Zylindereinheiten (7, 13) mit zugehörigen Kammern (8) in einer Ebene in Reihe angeordnet sind.
Membranverdichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass vier Kolben-Zylindereinheiten (7, 13) mit zugehörigen Kammern (8) in einem Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet sind.
Membranverdichter nach Anspruch 1 oder 5,
dadurch gekennzeichnet dass an die Zuleitung (24) für den vertikal, oben angeordneten Zylinder (7) eine im Sumpf (14) angeordnete Förderpumpe (16) angeschlossen ist.
Membranverdichter nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Förderpumpe (16) eine von der Nocken- oder Exzenterwelle (18) angetriebene Kolben- oder Membranpumpe ist.
Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Exzenterwelle (18) jeweils ein Wälzlager (17) für den Antrieb eines Kolbens (13) und/oder der Förderpumpe (16) befestigt ist/sind.
Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (13) gegen die Nocken- oder Exzenterwelle (18) druckkraftbeaufschlagt sind.
Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (5) mit Druckfedern (12) vorgespannt sind.
Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem Zylinder (7) ein Sicherheitsventil (30), dessen Öffnungsdruck größer als der maximal auftretende Arbeitsdruck im Zylinder (7) ist, angeschlossen ist.
Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich von der Horizontalen abweichend translatorisch hin- und herbewegende Kolben (13), als in Richtung auf die jeweilige Membran (5) offene Hubkolben ausgebildet sind.
Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der mit der Exzenter-, Nockenwelle (18) oder einem Wälzlager (17) in Berührung stehenden Stirnfläche eines Kolbens (13), einer unterhalb der Drehachse der Exzenter- oder Nockenwelle (18) angeordneten Kolben-Zylindereinheit (7, 13) eine Entlüftungsbohrung (13.1) ausgebildet ist.
Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (5) an ihrem äußeren Rand im Gehäuse (6) form- und/oder kraftschlüssig gehalten sind.
Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Kammern (8) um jeweils mindestens 2,5% größer als das Hubvolumen der entsprechenden Kolben-Zylindereinheit (7, 13) ist.
Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an der Wandung der Kammer (8), an der der Gasauslass (10) angeordnet ist, ein in das innere der Kammer (8) ragendes elastisches Element (31) vorhanden ist.