EP1702162A1 - Kolbenkompressor zum verdichten gasförmiger medien in wenigstens zwei arbeitsräumen - Google Patents

Kolbenkompressor zum verdichten gasförmiger medien in wenigstens zwei arbeitsräumen

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EP1702162A1
EP1702162A1 EP04803681A EP04803681A EP1702162A1 EP 1702162 A1 EP1702162 A1 EP 1702162A1 EP 04803681 A EP04803681 A EP 04803681A EP 04803681 A EP04803681 A EP 04803681A EP 1702162 A1 EP1702162 A1 EP 1702162A1
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EP
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piston
valves
piston part
plates
cylinder
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EP1702162B1 (de
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Beat Frefel
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Fritz Haug AG
Original Assignee
Fritz Haug AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B5/00—Machines or pumps with differential-surface pistons
    • F04B5/02—Machines or pumps with differential-surface pistons with double-acting pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B25/00—Multi-stage pumps
    • F04B25/02—Multi-stage pumps of stepped piston type

Definitions

  • Piston compressor for compressing gaseous media in at least two work rooms
  • the invention relates to a piston compressor for compressing gaseous media in at least two work spaces with the features of the independent claim.
  • a piston compressor for compressing gaseous media has a stepped piston with a first piston part and at least a second coaxially arranged piston part.
  • the piston compressor has a first cylinder with an inner bore for receiving the first piston part to form a first workspace.
  • the second cylinder also has an inner bore for receiving the second piston part to form a second working space.
  • the second piston part has a smaller diameter than the first piston part.
  • Each of the at least two cylinders is closed by a plate with valve arrangements, the second piston part with the smaller diameter being guided through an opening in one of the plates with valve arrangements.
  • the stepped piston can move back and forth in the compressor, whereby gaseous medium is sucked in and then compressed. With the help of the stepped piston, compression in at least two separate work rooms is possible.
  • One work area is ring-shaped (annular gap), while the other work area is cylindrical.
  • the stroke movements of the stepped piston can take place, for example, via a connecting rod system with a drive via a crank mechanism.
  • the stepped piston is connected to the drive via a piston rod or a guide piston.
  • the stepped piston could therefore be built on a crosshead of a compressor engine.
  • the plates with valve arrangements close the cylinders and serve to control the inlet and outlet of the gaseous medium to be compressed.
  • Such a valve arrangement has several advantages. So the plates with the valve arrangements can be easily assembled and disassembled. A modular design is also made possible because the necessary valves can be attached to the plates in a simple manner. The advantages of this design are the good utilization of the cylinder cross-section and the smoothly moving valve plates. The damage space, wear and flow losses are therefore small with this valve arrangement and it is therefore particularly suitable for smaller and high-speed compressors.
  • the first piston part is arranged at one end of the second piston part. The piston part with the larger diameter thus forms the front end of the step piston.
  • the first piston part forms a cylindrical working space and the second smaller piston part forms an annular working space.
  • the piston parts and the two cylinders are thus arranged in such a way that compression takes place in push-pull.
  • the gaseous medium is compressed in one direction of movement in each work area and sucked in the other work area (and vice versa).
  • the second piston part is arranged at the end of the first piston part.
  • the second piston part the diameter of which is smaller than the diameter of the first piston part, thus forms the front end of the stepped piston.
  • the second smaller piston part forms a cylindrical working space and the first larger piston part forms an annular working space.
  • the piston parts and the two cylinders are arranged such that compression takes place in the “same cycle ⁇ - . In this arrangement, one direction of movement has the same effect for both workspaces.
  • a compression takes place simultaneously in the two work rooms. However, the compression takes place in two stages. In a first stage, compression takes place via the annular gap (formed by the second working space).
  • the compression in the second Step takes place over the piston surface of the second piston part, which forms the front end of the step piston.
  • the piston parts are each preferably sealed against the inner bore of the cylinder parts by means of piston rings.
  • the advantage of this embodiment is that the losses via the piston rings emerge from the second stage into the first stage and do not reach the outside. As a result, gas losses can be minimized considerably. The loads on the piston rings are also reduced.
  • the diameter of the second smaller piston part is preferably selected in comparison to the diameter of the first larger piston part such that the annular gap volume of the first stage has a volume three to four times greater than the working space at the front end of the step piston.
  • the plates are disc-shaped and delimit the work areas on the end face, as a result of which the work rooms are closed in a simple manner. This also enables a simple and compact design of compressors.
  • the plates with valve arrangements have at least one inlet valve and at least one outlet valve. This ensures that air or other gaseous media is drawn in via an inlet valve in one direction of movement and that the compressed air is expelled through the outlet valves during the opposite movement.
  • the plates advantageously have bores for the valve arrangements.
  • the corresponding valves can be arranged on these holes.
  • Such holes can be wall on the plates, which are preferably made of metal such as steel or aluminum, are introduced.
  • inlet valves and outlet valves are designed as lamellar valves, as tongue valves, or individual valves with spring return.
  • a slat closes (respectively opens) the passage through a hole for the passage of the media.
  • a tongue closes (or opens) the passage through several holes for the passage of the media at the same time.
  • a single valve closes (or opens) the passage through one or more holes for the passage of the media.
  • Such valves are particularly suitable for use in a compression unit with a small stroke volume. These valve types are characterized by the fact that they are easy and inexpensive to manufacture or obtain. They can also be easily arranged in the plate.
  • the plates are sealed off from the cylinder parts by seals, for example flat seals, O-ring seals or, if necessary, metallic seals.
  • FIG. 1 cross section through a first exemplary embodiment of a piston compressor according to the invention
  • FIG. 2 cross section through an alternative exemplary embodiment of a piston compressor according to the invention
  • Figure 3 ' enlarged view of a section through the upper part of a piston compressor with lamellar valves and
  • Figure 4 enlarged representation of a partial cross section through a further piston compressor with valves which have a spring return.
  • a piston compressor designated 15 with a step piston 1 is shown.
  • the stepped piston 1 consists of two piston parts: a first piston part 16 and a second piston part 17.
  • the pistons are of course basically arranged symmetrically and coaxially in an axis A.
  • the stepped piston 1 can move back and forth in the x-direction along the axis A.
  • the first piston part 16, which defines the front end of the stepped piston is arranged in a first cylinder 7.
  • the diameter of the first piston part 16 is larger than the diameter of the second piston part 17.
  • Another working space 22 is in the region of the second cylinder 8 and the second piston part 17 are arranged. Obviously, this working space 22 is configured in a ring shape.
  • the compressor 15 also has a cylinder head 29.
  • the plate 9 is located between the cylinder head 29 and the first cylinder 7.
  • the plate 9 has a circular opening 20, the diameter of which preferably corresponds to the diameter of the inner bore 19 of the second cylinder 8.
  • the opening 20 can, however, also be designed in such a way that there is a seal with the piston part 17.
  • At least one inlet valve 3 and 13 and one outlet valve 4 and 14 are arranged on the plates 2 and 9, respectively.
  • the inlet valves 3 and 13 and the outlet valves 4 and 14 are designed as lamella valves 31.
  • the piston parts 16 and 17 have piston rings 5 on their outer surfaces for sealing the respective working spaces 21 and 22, respectively. Other seals such as labyrinth seals or rod packs are also conceivable.
  • the front piston part 16 also has guide elements 6, on the one hand to increase the stability of the stepped piston 1 and on the other hand to minimize the distance between the stepped piston 1 and the cylinder (here only the cylinder part 7). As a result, the efficiency of the piston compressor 15 can be improved.
  • the stepped piston 1 compresses, for example, a gaseous medium, in particular air, during the downward movement in the x direction, the compressed medium being able to be expelled via the outlet valve 14. With the same downward movement, the gaseous medium is sucked into the first working space 21. If the stepped piston 1 moves in the opposite direction, the process takes place in the opposite way.
  • the arrows shown in Figure 1 illustrate the inflowing or outflowing air.
  • An alternative embodiment of a piston compressor 15 is shown in FIG. This piston compressor 15 compresses air or other gaseous media in unison. If, for example, a stepped piston 1 is moved forward, that is, approximately in the direction of the cylinder head 29, the air in the working spaces 21 and 22 is compressed. If the pressure in the workrooms exceeds a certain level, the compressed air escapes via the respective outlet valves 4 or 14.
  • the compression takes place in two stages. In a first stage, the medium is compressed via the annular gap 28 in the lower working space 21. In the second stage, the medium in the front working chamber 22 is compressed via the piston surface 30 of the front piston 17. Due to the relatively small piston area 30, higher final pressures can be achieved here.
  • the arrangement is characterized, inter alia, in that the losses emerge from the second stage into the first stage via the piston rings 5 and thus do not escape into the open. In this way, gas losses can be minimized considerably.
  • the loads on the piston rings 5 are minimized since, due to the high support pressure in the lower working chamber 21, the differential pressure acting on the piston rings 5 is smaller with respect to the front working chamber 22.
  • the second piston part 16 has additional guide elements 6. Depending on the dimensioning and application, several such sealing elements and / or guide elements can be arranged.
  • a stepped piston 1 is moved by an oscillating drive, for example via a crank drive.
  • the stepped piston 1 is preferably connected to the drive via a piston rod.
  • the guide of the stepped piston 1 can be done in particular by a crosshead (also not shown).
  • FIG. 3 shows a section through an upper plate 9 with the representation of an inlet valve 3 in the form of a lamellar valve 31.
  • a hole 23 in the form of a through hole is provided in the plate 9 for an inlet valve 3, which is covered by a respective lamella .
  • the lamella valves 31 are attached off-center.
  • a total of at least one lamella is to be provided as the inlet and outlet valve.
  • the number of slats essentially depends on the size and the intended performance data.
  • the piston parts 16 and 17 must have recesses at locations where components of the valves 3 and 4 protrude into the displacement.
  • the position of the stepped piston 1 around the longitudinal axis A must be fixed.
  • the inlet valves 3 and outlet valves 4 can, according to the design with lamellar valves 31, also each be designed as a tongue valve, in which case a tongue would cover several bores 23 at the same time (not shown).
  • FIG. 4 shows an example of a valve arrangement on a plate 9, which also applies analogously to the valve arrangement of the plate
  • valves 3 and 4 are designed as individual valves with spring return 33, which are arranged centrally above the bores 23.

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Abstract

Ein Kolbenkompressor (15) zum Verdichten gasförmiger Medien ent­hält einen Stufenkolben (1) mit einem ersten Kolbenteil (16) und einem zweiten Kolbenteil (17), welche in einer Achse angeordnet sind Zwei Zylinder (7, 8) mit inneren Bohrungen verschiedener Durchmesser bilden zwei Arbeitsräume (21, 22). Die Zylinder wer­den durch Platten (2, 9) mit Ventilanordnungen verschlossen. Da­bei wird im Durchmesser kleinere der Kolbenteil (17) durch eine Öffnung (20) in der Platte (2) geführt. Als Ventile eignen sich insbesondere Lamellenventile, Zungenventile oder auch Ventile mit Federrückstellung.

Description

Kolbenkompressor zum Verdichten gasförmiger Medien in wenigstens zwei Arbeitsräumen
Die Erfindung betrifft einen Kolbenkompressor zum Verdichten gasförmiger Medien in wenigstens zwei Arbeitsräumen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs.
Es sind bereits zahlreiche Kolbenkompressoren mit mehreren Arbeitsräumen bekannt und gebräuchlich. So beschreibt beispielsweise die US 4 889 039 einen Kolbenkompressor, in welchem die Ventile jeweils im Zylindermantel angeordnet sind. Solche Kompressoren sind verhältnismässig aufwendig herzustellen und entsprechend teuer. Ein wesentlicher Nachteil einer Ventilanordnung im Zylindermantel sind die relativ grossen Schadraumvolumen, welche speziell bei kleineren Kompressoren mit kleinen Hubvolumen einen schlechten Verdichtungswirkungsgrad verursachen.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere einen Kompressor der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher sich durch eine einfache und. günstige Herstellbarkeit und zugleich durch gute Leistungsdaten auszeichnet. Insbesondere soll eine leichte Montage in Modulbauweise möglich sein. Der Kompressor soll weiter eine lange Lebensdauer aufweisen.
Erfindungsgemäss werden diese Aufgabe mit einem Kolbenkompressor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Ein Kolbenkompressor zum Verdichten gasförmiger Medien weist einen Stufenkolben mit einem ersten Kolbenteil und wenigstens einen zweiten koaxial angeordneten Kolbenteil auf. Der Kolbenkompressor verfügt über einen ersten Zylinder mit einer inneren Bohrung zur Aufnahme des ersten Kolbenteils zur Bildung eines ersten Arbeitsraumens auf. Der zweite Zylinder verfügt ebenfalls eine innere Bohrung zur Aufnahme des zweiten Kolbenteils zur Bildung eines zweiten Arbeitsraumes. Dabei weist der zweite Kolbenteil einen kleineren Durchmesser als der ersten Kolbenteil auf. Jeder der wenigstens zwei Zylinder ist durch eine Platte mit Ventilanordnungen verschlossen, wobei der zweite Kolbenteil mit dem kleineren Durchmesser durch eine Öffnung in einer der Platten mit Ventilanordnungen geführt ist. Der Stufenkolben ist im Kompressor hin- und her beweglich, wodurch gasförmiges Medium angesaugt und dann verdichtet wird. Mit Hilfe des Stufenkolbens ist eine Verdichtung in wenigstens zwei getrennten Arbeitsräumen möglich. Ein Arbeitsraum ist dabei ringförmig (Ringspalt) ausgebildet, während der andere Arbeitsraum zylindrisch ausgebildet ist. Die Hubbewegungen des Stufenkolbens können beispielsweise über ein Pleuelsystem mit einem Antrieb über einen Kurbeltrieb erfolgen. Dazu ist der Stufenkolben über eine Kolbenstange oder einen Führungskolben mit dem Antrieb verbunden. Insbesondere könnte der Stufenkolben also auf einem Kreuzkopf eines Kompressortriebwerks aufgebaut sein.
Die Platten mit Ventilanordnungen verschliessen die Zylinder und dienen zur Ein- und Auslasssteuerung des zu verdichtenden gasförmigen Mediums. Eine solche Ventilanordnung hat verschiedene Vorteile. So können die Platten mit den Ventilanordnungen einfach montiert und demontiert werden. Eine Modulbauweise wird dadurch ebenfalls ermöglicht, da die notwendigen Ventile auf einfache Art und Weise auf die Platten angebracht werden können. Der Vorteile dieser Bauart liegt in der guten Ausnützung des Zylinderquerschnittes und der sich reibungsfrei bewegenden Ventilplatten. Der Schadraum, die Abnutzung und die Strömungsverluste sind daher bei dieser Ventilanordnung gering und sie eignet sich daher besonders für kleinere und schnelllaufende Kompressoren. In einer ersten Ausführungsform ist der erste Kolbenteil an einem Ende des zweiten Kolbenteils angeordnet. Das Kolbenteil mit dem grösseren Durchmesser bildet damit das vordere Ende des Stu— fenkolbens . Der erste Kolbenteil bildet einen zylindrischen Arbeitsraum und der zweite kleinere Kolbenteil bildet einen ringförmigen Arbeitsraum. Die Kolbenteile und die beiden Zylinder sind damit derart angeordnet, dass eine Kompression im Gegentakt erfolgt . Das gasförmige Medium wird in einer Bewegungsrichtung jeweils in einem Arbeitsraum verdichtet und im anderen Arbeitsraum angesaugt (und umgekehrt) .
Da sich die Gaskräfte, die einerseits auf die ganze Kolbenfläche und andererseits nur auf den Ringspalt wirken, in den Arbeitsräumen teilweise aufheben, findet eine Entlastung der Kräfte auf den Antrieb statt. Ein weiterer Effekt dieser Anordnung ist ein ausgeglichener Drehmomentverlauf und damit eine bessere Laufruhe.
In einer alternativen Ausführungsform wird der zweite Kolbenteil am Ende des ersten Kolbenteils angeordnet. Damit bildet der zweite Kolbenteil, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser des ersten Kolbenteils ist, das vordere Ende des Stufenkolbens. Der zweite kleinere Kolbenteil bildet einen zylindrischen Arbeitsraum und der erste grössere Kolbenteil bildet einen ringförmigen Arbeitsraum. Die Kolbenteile und die beiden Zylinder sind derart angeordnet, dass eine Kompression im „gleichen Taktλ- erfolgt. In dieser Anordnung ist jeweils eine Bewegungsrichtung gleichwirkend für beide Arbeitsräume. Eine Verdichtung findet also in den beiden Arbeitsräumen gleichzeitig statt. Die Verdichtung findet jedoch in zwei Stufen statt. In einer ersten Stufe erfolgt eine Verdichtung über den (durch den zweiten Arbeitsraum gebildeten) Ringspalt. Die Verdichtung in der zweiten Stufe erfolgt über die Kolbenfläche des zweiten Kolbenteils, welcher das vordere Ende des Stufenkolbens bildet.
Die Kolbenteile sind jeweils bevorzugt mittels Kolbenringen gegenüber der inneren Bohrung der Zylinderteile abgedichtet. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass die Verluste über die Kolbenringe aus der zweiten Stufe in die erste Stufe austreten und nicht ins Freie gelangen. Dadurch können Gasverluste erheblich minimiert werden. Im Weiteren werden die Belastungen auf die Kolbenringe gesenkt.
Vorzugsweise wird beispielsweise der Durchmesser des zweiten kleineren Kolbenteils im Vergleichs zum Durchmesser des ersten grösseren Kolbenteils derart gewählt, dass das Ringspaltvolumen der ersten Stufe ein drei bis vier Mal so grosses Volumen hat, wie der Arbeitsraum am vorderen Ende des Stufenkolbens.
Vorteilhaft ist es, wenn die Platten scheibenförmig ausgebildet sind und die Arbeitsräume stirnseitig begrenzen, wodurch auf einfache Art und Weise die Arbeitsräume verschlossen werden. Dadurch wird auch eine einfache und kompakte Bauweise von Kompressoren ermöglicht.
Vorteilhaft ist es, wenn die Platten mit Ventilanordnungen wenigstens ein Einlassventil und wenigstens ein Auslassventil verfügen. Damit wird sichergestellt, dass jeweils in einer Bewegungsrichtung Luft oder andere gasförmige Medien über ein Einlassventil angesaugt und bei der entgegengesetzten Bewegung die verdichtete Luft über die Auslassventile ausgestossen wird. Vorteilhaft weisen die Platten dazu Bohrungen für die Ventilanordnungen auf. An diesen Bohrungen können die entsprechenden Ventile angeordnet werden. Solche Bohrungen können mit geringem Auf- wand auf die Platten, welche vorzugsweise aus Metall wie Stahl oder Aluminium bestehen, eingebracht werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einlassventile und Auslassventile als Lamellenventile, als Zungenventile, oder Einzelventile mit Federrückstellung ausgestaltet sind. Eine Lamelle verschliesst (respektive öffnet) den Durchgang durch jeweils eine Bohrung zur Durchführung der Medien. Eine Zunge verschliesst (respektive öffnet) den Durchgang durch jeweils mehrere Bohrungen zur Durchführung der Medien gleichzeitig. Ein Einzelventil verschliesst (respektive öffnet) den Durchgang durch jeweils eine Bohrung oder mehrerer Bohrungen zur Durchführung der Medien. Solche Ventile eignen sich besonders zum Einsatz in einer Kompressionseinheit mit kleinen Hubvolumen. Diese Ventiltypen zeichnen sich dadurch aus, dass sie einfach und günstig herzustellen oder zu beziehen sind. Auch können sie auf einfache Weise in der Platte angeordnet werden.
Die Platten werden gegenüber den Zylinderteilen durch Dichtungen, beispielsweise Flachdichtungen, O-Ring-Dichtung oder allenfalls metallische Dichtungen abgedichtet.
Weitere Einzelmerkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und aus den Zeichnungen. Es zeigen:
Figur 1: Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Kolbenkompressors,
Figur 2: Querschnitt durch ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Kolbenkompressors, Figur 3': vergrösserte Darstellung eines Schnittes durch den oberen Teil eines Kolbenkompressors mit Lamellenventilen und
Figur 4: vergrösserte Darstellung eines Teil- Querschnittes durch einen weiteren Kolbenkompressor mit Ventilen, welche eine Federrückstellung aufweisen.
In Figur 1 ist ein mit 15 bezeichneter Kolbenkompressor mit einem Stufenkolben 1 dargestellt. Der Stufenkolben 1 besteht aus zwei Kolbenteilen: einem ersten Kolbenteil 16 und einem zweiten Kolbenteil 17. Die Kolben sind selbstverständlich grundsätzlich symmetrisch und koaxial in einer Achse A angeordnet. Der Stufenkolben 1 kann sich in x-Richtung entlang der Achse A hin- und her bewegen. Der erste Kolbenteil 16, welcher das vordere Ende des Stufenkolbens definiert, ist in einem ersten Zylinder 7 angeordnet. Der Durchmesser des ersten Kolbenteils 16 ist grösser als der Durchmesser des zweiten Kolbenteils 17. Oberhalb einer Kolbenfläche 30 des ersten Zylinders 7 befindet sich ein durch den ersten Zylinder 7 gebildeter Arbeitsraum 21, abgeschlossen durch die Ventilplatte 9. Ein weiterer Arbeitsraum 22 ist im Bereich des zweiten Zylinders 8 und des zweiten Kolbenteils 17 angeordnet. Dieser Arbeitsraum 22 ist ersichtlicherweise ringförmig ausgestaltet.
In Figur 1 verfügt der Kompressor 15 weiter über einen Zylinderkopf 29. In diesem Fall befindet sich die Platte 9 zwischen dem Zylinderkopf 29 und dem ersten Zylinder 7. Allenfalls ist vorstellbar, auf den dargestellten Zylinderkopf 29 zu verzichten und nur eine Platte 2 mit Ventilanordnung als Abschluss des Zylinders 7 einzusetzen. Die andere Platte 9 mit den Ventilanordnungen, welche den Ringspalt bzw. Arbeitsraum 22 verschliesst, ist zwischen dem ersten Zylinder 7 und dem zweiten Zylinder 8 angeordnet. Mittig weist die Platte 2 eine kreisförmige Öffnung 20 auf, dessen Durchmesser vorzugsweise dem Durchmesser der inneren Bohrung 19 des zweiten Zylinders 8 entspricht. Die Öffnung 20 kann aber auch derart ausgestaltet sein, dass eine Dichtung mit dem Kolbenteil 17 vorliegt. An den Platten 2 und 9 sind jeweils wenigstens ein Einlassventil 3 bzw. 13 und jeweils ein Auslassventil 4 bzw. 14 angeordnet. So sind beispielsweise in Figur 1 die Einlassventile 3 und 13 sowie die Auslassventile 4 und 14 als Lamellenventile 31 ausgestaltet. Selbstverständlich sind auch andere Ventilarten einsetzbar. Die Kolbenteile 16 und 17 weisen auf ihren Mantelflächen Kolbenringe 5 zum Abdichten der jeweiligen Arbeitsräume 21 bzw. 22 auf. Andere Abdichtungen wie Labyrinth-Dichtungen oder Stangenpackungen sind ebenfalls vorstellbar. Der vordere Kolbenteil 16 weist weiter Führungselemente 6 auf, um einerseits die Stabilität des Stufenkolbens 1 zu erhöhen und andererseits um den Abstand zwischen Stufenkolben 1 und des Zylinders (hier nur des Zylinderteils 7) zu minimieren. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Kolbenkompressors 15 verbessert werden.
Der Stufenkolben 1 verdichtet beispielsweise bei der Abwärtsbewegung in x-Richtung ein gasförmiges Medium, insbesondere Luft, wobei das verdichtete Medium über das Auslassventil 14 ausge- stossen werden kann. Mit derselben Abwärtsbewegung wird in den ersten Arbeitsraum 21 das gasförmiges Medium angesaugt. Bewegt sich der Stufenkolben 1 in die umgekehrte Richtung, erfolgt der Prozess auf umgekehrte Weise. Die in Figur 1 dargestellten Pfeile veranschaulichen die einströmende bzw. ausströmende Luft. In Figur 2 wird eine alternative Ausführung eines Kolbenkompressors 15 gezeigt. Dieser Kolbenkompressor 15 verdichtet Luft oder andere gasförmige Medien im Gleichtakt . Wird also etwa ein Stufenkolben 1 nach vorne, also etwa in Richtung des Zylinderkopfs 29 bewegt, so wird die Luft in den Arbeitsräumen 21 und 22 verdichtet. Überschreitet der Druck in den Arbeitsräumen ein bestimmtes Niveau, so entweicht die verdichtete Luft über die jeweiligen Auslassventile 4 oder 14.
Die Verdichtung erfolgt zweistufig. In einer ersten Stufe wird das Medium über den Ringspalt 28 im unteren Arbeitsraum 21 verdichtet. In der zweiten Stufe wird das Medium im vorderen Arbeitsraum 22 über die Kolbenfläche 30 des vorderen Kolbens 17 verdichtet. Auf Grund der verhältnismässig kleinen Kolbenfläche 30 können hier höhere Enddrücke erzielt werden. Die Anordnung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass die Verluste über die Kolbenringe 5 aus der zweiten Stufe in die erste Stufe austreten und somit nicht ins Freie gelangen. So können Gasverluste erheblich minimiert werden. Im Weiteren werden die Belastungen auf die Kolbenringe 5 minimiert, da auf Grund des Stützhochdrucks im unteren Arbeitsraum 21 der auf die Kolbenringe 5 wirkende Differenzdruck bezüglich des vorderen Arbeitsraums 22 kleiner ist. Der zweite Kolbenteil 16 verfügt neben Kolbenringen 5 über zusätzliche Führungslemente 6. Je nach Dimensionierung und Anwendungszweck können mehrere solche Dichtungselemente und/oder Führungselemente angeordnet werden.
In den Figuren 1 und 2 wird der eigentliche Antrieb des Stufenkolbens 1 nicht dargestellt. Ein Stufenkolben 1 wird durch einen oszillierenden Antrieb, beispielsweise über einen Kurbeltrieb bewegt. Der Stufenkolben 1 ist dabei bevorzugt über eine Kolbenstange mit dem Antrieb verbunden. Die Führung des Stufenkolbens 1 kann insbesondere durch einen Kreuzkopf (ebenfalls nicht dargestellt) erfolgen.
Die Figur 3 zeigt einen Schnitt durch eine obere Platte 9 mit der Darstellung eines Einlassventiles 3 in der Ausführung als Lamellenventil 31. Jeweils für ein Einlassventil 3 ist in der Platte 9 eine Bohrung 23 in Form einer Durchgangsbohrung vorzusehen, welches durch eine jeweilige Lammelle abgedeckt wird. Die Lamellenventile 31 sind dabei aussermittig angebracht. Mindestens jeweils eine Lammelle als Einlass- und Auslassventil ist insgesamt vorzusehen. Die Anzahl der Lamellen hängt im Wesentlichen von der Baugrösse und den vorgesehenen Leistungsdaten ab. Selbstverständlich müssen die Kolbenteile 16 und 17 Aussparungen an Stellen aufweisen, wo Bauteile der Ventile 3 und 4 in den Hubraum hineinragen. Die Position des Stufenkolbens 1 um die Längsachse A muss fixiert sein.
Die Einlassventile 3 und Auslassventile 4 können entsprechend der Ausführung mit Lamellenventilen 31 jeweils auch als Zungenventil ausgeführt sein, wobei dann eine Zunge mehrere Bohrungen 23 gleichzeitig abdecken würde (nicht dargestellt) .
Die Figur 4 zeigt beispielhaft eine Ventilanordnungen auf einer Platte 9, welche analog auch für die Ventilanordnung der Platte
2 des Ringspalts 28 gelten. Die Ventile 3 und 4 sind als Einzelventile mit Federrückstellung 33 ausgeführt, welche zentral über den Bohrungen 23 angeordnet sind.
Selbstverständlich können die übrigen (jeweils in den Fig. 3 o- der 4 nicht dargestellten) Platten ähnliche Ventilanordnungen aufweisen. Die einzelnen Ventilkonstruktionen von Lamellen-, Zungen- oder Einzelventilen sind nicht Gegenstand der Erfindung. Diese wurden in vielen Fachpublikationen detailliert beschrieben und werden als bekannt vorausgesetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Kolbenkompressor (5) zum Verdichten von gasförmigen Medien in wenigstens zwei Arbeitsräumen mit einem Stufenkolben (1) enthaltend einen ersten Kolbenteil (16) und wenigstens einen koaxial angeordneten zweiten Kolbenteil (17), einen ersten Zylinder (7) zur Aufnahme des ersten Kolbenteils (16) und zur Bildung eines ersten Arbeitsraumes (21) und wenigstens einen zweiten Zylinder (8) zur Aufnahme des zweiten Kolbenteils (17) und zur Bildung eines zweiten Ar- beitsraumes (22) , wobei der zweite Kolbenteil (17) einen kleineren Durchmesser als der erste Kolbenteil (16) aufweist, wobei jeder der wenigstens zwei Zylinder (16, 17) durch eine Platte (2, 9) mit Ventilanordnungen verschlossen ist und wobei der zweite Kolbenteil (17) durch eine Öffnung (20) in einer der Platten (2) geführt ist, wobei der zweite Kolbenteil (17) am einen Ende (27) des ersten Kolbenteils (16) angeordnet ist, wobei der zweite Kolbenteil (17) das vordere Ende des Stufenkolbens (1) bildet und wobei der zweite Kolbenteil (17) einen zylindrischen Arbeitsraum (22) und der erste Kolbenteil (16) einen ringförmigen Arbeitsraum (21) bildet.
2. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (2, 9) scheibenförmig ausgebildet sind und die Arbeitsräume stirnseitig begrenzen.
3. Kolbenkompressor Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (2, 9) mit Einlassventilen (3, 13) und Auslassventilen (4, 14) versehen sind.
4. Kolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (3, 4, 13, 14) Lammellenventile (31) sind.
5. Kolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (3, 4, 13, 14) Zungenventile (32) sind.
6. Kolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (3, 4, 13, 14) Einzelventile mit Federrückstellung (33) sind.
EP04803681A 2003-12-09 2004-12-09 Kolbenkompressor zum verdichten gasförmiger medien in wenigstens zwei arbeitsräumen Not-in-force EP1702162B1 (de)

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EP04803681A EP1702162B1 (de) 2003-12-09 2004-12-09 Kolbenkompressor zum verdichten gasförmiger medien in wenigstens zwei arbeitsräumen

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