EP2430316A1 - Verdichter mit kolbendummy - Google Patents

Verdichter mit kolbendummy

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EP2430316A1
EP2430316A1 EP10720882A EP10720882A EP2430316A1 EP 2430316 A1 EP2430316 A1 EP 2430316A1 EP 10720882 A EP10720882 A EP 10720882A EP 10720882 A EP10720882 A EP 10720882A EP 2430316 A1 EP2430316 A1 EP 2430316A1
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piston
liquid
dummy
compressor
piston chamber
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Helmut Mayer
Markus Mayer
Georg Siebert
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Linde GmbH
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F1/00—Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped
    • F04F1/06—Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped the fluid medium acting on the surface of the liquid to be pumped
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F1/00—Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped
    • F04F1/06—Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped the fluid medium acting on the surface of the liquid to be pumped
    • F04F1/14—Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped the fluid medium acting on the surface of the liquid to be pumped adapted to pump specific liquids, e.g. corrosive or hot liquids

Definitions

  • the invention relates to a compressor, comprising a liquid or liquid column which can be displaced in the piston chamber and acts as a piston.
  • the liquid used in such compressors is preferably an ionic liquid, since, on the one hand, it does not dissolve in the medium to be compressed and, on the other hand, it can be separated without residue from the medium to be compressed.
  • other liquids may also be used, for example heavy-boiling hydraulic oils, vacuum oils or other low-boiling liquids with a low medium solution.
  • Hydraulic fluid itself. If it can not be achieved by them sufficient cooling effect, usually an external cooling, for example in the form of a cooling jacket, realized in the rule.
  • Object of the present invention is to provide a generic compressor in which the cooling performance or effect, in particular in the region of top dead center improves and thereby the efficiency of the compressor can be increased.
  • a generic compressor comprising a displaceable in the piston chamber, acting as a piston liquid, proposed, which is characterized in that a displaceable with her piston dummy is arranged in the liquid.
  • the piston dummy is designed in such a way that when the top dead center is reached it causes an acceleration of the fluid in the annular gap defined by it and the piston chamber wall,
  • the underside of the piston dummies is designed such that the liquid in the
  • the liquid is at least partially an ionic liquid.
  • Figures 1 to 3 show a lateral, not to scale sectional view through a possible embodiment of the compressor according to the invention, wherein Figure 1 shows the situation at the beginning of a compression stroke, Figure 2 shows the situation at the end of a compression stroke and Figure 3 shows the situation during the intake stroke ,
  • the compressor according to the invention has a piston 1, which defines a piston chamber 2, on.
  • a liquid column forming liquid 3 which is preferably an ionic liquid, is arranged.
  • a hydraulic piston 4 By means of suitable measures - represented in FIGS. 1 to 3 by a hydraulic piston 4 - the liquid column 3 is moved up and down within the piston chamber 2.
  • At least one intake valve 6 and at least one pressure valve 7 are also provided on the cylinder head.
  • a one-piece or multi-piece piston dummy 5 is now arranged inside the liquid 3.
  • This piston dummy 5 is surrounded by the liquid 3 so that possibly provided seals of the hydraulic piston 4 are in contact with the fluid 3 at all times.
  • the piston dummy 5 advantageously has at least approximately the shape of the cylinder or piston chamber 2.
  • the piston chamber 2 preferably has a flow and / or cooling technology optimized inner contour.
  • the aforementioned suction 6 and pressure valves 7 are arranged in an advantageous manner such that they support the cooling process.
  • the underside of the piston dumbbell 5 is preferably designed such that the liquid 3 is held or accelerated in the area of the piston dummy underside.
  • piston dumbbell 5 remains the top layer of the liquid 3 on the piston dummy 5. This effect occurs especially in ionic liquids, since the accelerated amount of liquid can no longer dip into the liquid surface. However, this behavior is desirable because in the subsequent compression stroke exactly this (hot) amount of liquid via the pressure valve 7 from the piston 1 and piston chamber 2 is discharged.
  • the shape of the piston dumbbell 5 is determined substantially by the shape of the piston interior 2 in its upper region. Basically, however, a variety of different piston dummy forms can be realized in practice.

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Abstract

Es wird ein Verdichter, aufweisend eine in dem Kolbenraum verschiebbare, als Kolben fungierende Flüssigkeit, beschrieben. Erfindungsgemäß ist in der Flüssigkeit (3) ein mit ihr verschiebbarer Kolbendummy (5) angeordnet. Dieser Kolbendummy (5) ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass er bei Erreichen des oberen Totpunktes eine Beschleunigung der Flüssigkeit (3) in dem von ihm und der Kolbenraumwand definierten Ringspalt bewirkt.

Description

Beschreibung
Verdichter mit Kolbendummy
Die Erfindung betrifft einen Verdichter, aufweisend eine in dem Kolbenraum verschiebbare, als Kolben fungierende Flüssigkeit bzw. Flüssigkeitssäule.
Gattungsgemäße Verdichter, die der Verdichtung von gasförmigen Medien, wie beispielsweise Wasserstoff und Erdgas, bis zu Drücken von 1000 bar dienen, werden auch als kolbenloser Verdichter bezeichnet, da innerhalb des Kolbenraumes bzw. Zylinders kein herkömmlicher Kolben, sondern eine Flüssigkeit bzw. Flüssigkeitssäule verschiebbar angeordnet ist. Ein derartiger Verdichter ist beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung 102004046316 bekannt.
Die in derartigen Verdichtern verwendete Flüssigkeit ist vorzugsweise eine ionische Flüssigkeit, da sich diese zum einen in dem zu verdichtenden Medium nicht löst und zum anderen von dem zu verdichtenden Medium rückstandsfrei abgetrennt werden kann. Grundsätzlich können jedoch auch andere Flüssigkeiten zur Anwendung kommen, beispielsweise schwer siedende Hydrauliköle, Vakuumöle oder andere schwer siedende Flüssigkeiten mit niedriger Mediumslösung.
Die Kühlung gattungsgemäßer Verdichter erfolgt bisher durch die verwendete
Hydraulikflüssigkeit selbst. Sollte durch sie keine ausreichende Kühlwirkung erreicht werden können, wird im Regelfall zusätzlich eine Außenkühlung, beispielsweise in Form eines Kühlmantels, realisiert.
Um einen ungewollten Austritt der Flüssigkeit mit dem verdichteten Medium über das Druckventil und/oder eine möglichst gute Totraumoptimierung gewährleisten zu können, wird bisher danach getrachtet, die Oberfläche der Flüssigkeit möglichst glatt zu halten. Dadurch werden jedoch der Wärmeübergang und damit die Kühlwirkung auf die Oberflächenberührung reduziert. Dies hat zur Folge, dass der heißeste Teil des Verdichters - dies ist der Bereich des Kolbenraumes, in dem der obere Totpunkt liegt - am wenigsten gekühlt wird. Von Nachteil ist jedoch, dass insbesondere die Hitzeentwicklung im oberen Totpunkt des Verdichters den thermischen Wirkungsgrad des Verdichtungsprozesses verringert. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Verdichter anzugeben, bei dem die Kühlleistung bzw. -Wirkung insbesondere im Bereich des oberen Totpunktes verbessert und dadurch der Wirkungsgrad des Verdichters erhöht werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßer Verdichter, aufweisend eine in dem Kolbenraum verschiebbare, als Kolben fungierende Flüssigkeit, vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Flüssigkeit ein mit ihr verschiebbarer Kolbendummy angeordnet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verdichters, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
der Kolbendummy derart ausgebildet ist, dass er bei Erreichen des oberen Totpunktes eine Beschleunigung der Flüssigkeit in dem von ihm und der Kolbenraumwand definierten Ringspalt bewirkt,
- die Unterseite des Kolbendummys derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkeit im
Bereich der Kolbendummy-Unterseite gehalten oder beschleunigt wird,
der Kolbendummy ein- oder mehrstückig ausgebildet ist und
- die Flüssigkeit zumindest teilweise eine ionische Flüssigkeit ist.,
Der erfindungsgemäße Verdichter sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine seitliche, nicht maßstabsgerechte Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters, wobei die Figur 1 die Situation zu Beginn eines Verdichtungstaktes, die Figur 2 die Situation am Ende eines Verdichtungstaktes und die Figur 3 die Situation während des Ansaugtaktes zeigt. Der erfindungsgemäße Verdichter weist einen Kolben 1 , der einen Kolbenraum 2 definiert, auf. Innerhalb des Kolbenraumes 2 ist eine eine Flüssigkeitssäule bildende Flüssigkeit 3, bei der es sich vorzugsweise um eine ionische Flüssigkeit handelt, angeordnet. Mittels geeigneter Maßnahmen - in den Figuren 1 bis 3 dargestellt durch einen Hydraulikkolben 4 - wird die Flüssigkeitssäule 3 innerhalb des Kolbenraumes 2 auf- und abbewegt. Am Zylinderkopf sind ferner wenigstens ein Ansaugventil 6 sowie wenigstens ein Druckventil 7 vorgesehen.
Erfindungsgemäß ist nun innerhalb der Flüssigkeit 3 ein ein- oder mehrstückig ausgebildeter Kolbendummy 5 angeordnet. Dieser Kolbendummy 5 wird von der Flüssigkeit 3 umspült, so dass ggf. vorzusehende Dichtungen des Hydraulikkolbens 4 zu jeder Zeit mit der Flüssigkeit 3 in Berührung sind. Der Kolbendummy 5 weist in vorteilhafter weise zumindest annähernd die Form des Zylinders bzw. Kolbenraumes 2 auf. Der Kolbenraum 2 besitzt vorzugsweise eine strömungs- und/oder kühltechnisch optimierte Innenkontur. Auch die vorgenannten Saug- 6 und Druckventile 7 sind in vorteilhafter Weise derart angeordnet, dass sie den Kühlprozess unterstützen. Des Weiteren ist die Unterseite des Kolbendummys 5 vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Flüssigkeit 3 im Bereich der Kolbendummy-Unterseite gehalten oder beschleunigt wird.
Während eines Verdichtungstaktes, wie er in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, wird die Flüssigkeit 3 gemeinsam mit dem Kolbendummy 5 nach oben bewegt. Da die Kontur des Kolbendummys 5 dem Kopfbereich des Kolbeninnenraumes angepasst ist, wird bei der Annäherung des Kolbendummys 5 an den oberen Totpunkt eine Beschleunigung der Flüssigkeit 3 in dem von dem Kolbendummy 5 und der Kolbenraumwand definierten Ringspalt 8 erreicht. Diese Beschleunigung der Flüssigkeit 3 hat zur Folge, dass die Flüssigkeit 3 länger als bei den zum Stand der Technik zählenden Verdichterkonstruktionen mit dem zu kühlenden Zylinderkopf in Berührung kommt. Aufgrund der Beschleunigung der Flüssigkeit 3 im Ringspalt 8 kommt es zudem zur Ausbildung einer turbulenten Strömung in der Flüssigkeit 3, die eine zusätzliche Kühlwirkung zur Folge hat.
Im Regelfall wird bei Erreichen des oberen Totpunktes ein Teil der Flüssigkeit 3 gemeinsam mit dem verdichteten Medium über das Druckventil 7 aus dem Kolbenraum 2 gefördert. Dabei handelt es sich um die oberste und damit heißeste Schicht der Flüssigkeitssäule.
Nach dem Schließen des Druckventils 7 und zu Beginn der Abwärtsbewegung der Flüssigkeitssäule 3 sowie des Kolbendummys 5 schießt der in dem oberen Bereich des Kolbenraumes 2 verbleibende Rest der beschleunigten Flüssigkeit erneut am oberen Teil des Zylinderkopfes vorbei, woraus eine zusätzliche Erhöhung der gewünschten Kühlwirkung resultiert.
Im Falle einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorzusehenden Kolbendummys 5 verbleibt die oberste Schicht der Flüssigkeit 3 auf dem Kolbendummy 5. Dieser Effekt tritt insbesondere bei ionischen Flüssigkeiten auf, da die beschleunigte Flüssigkeitsmenge nicht mehr in die Flüssigkeitsoberfläche eintauchen kann. Dieses Verhalten ist jedoch gewünscht, da beim darauf folgenden Verdichtungshub genau diese (heiße) Flüssigkeitsmenge über das Druckventil 7 aus dem Kolben 1 bzw. Kolbenraum 2 abgeführt wird.
Es ist offensichtlich, dass die Form des Kolbendummys 5 im Wesentlichen von der Form des Kolbeninnenraumes 2 in seinem oberen Bereich bestimmt wird. Grundsätzlich ist jedoch in der Praxis eine Vielzahl unterschiedlichster Kolbendummyformen realisierbar.
Mittels des erfindungsgemäßen Verdichterkonzeptes wird eine bessere Kühlung des Kolben- bzw. Zylinderkopfes, insbesondere im Bereich des oberen Totpunktes, erreicht. Dies hat eine Verringerung der Verdichtungstemperatur und damit der benötigten Verdichtungsenergie zur Folge. Somit erhöht sich der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verdichters im Vergleich zu einem ansonsten identischen Verdichter, bei dem auf den erfindungsgemäß vorzusehenden Kolbendummy verzichtet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verdichter, aufweisend eine in dem Kolbenraum verschiebbare, als Kolben fungierende Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass in der Flüssigkeit (3) ein mit ihr verschiebbarer Kolbendummy (5) angeordnet ist.
2. Verdichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbendummy (5) derart ausgebildet ist, dass er bei Erreichen des oberen Totpunktes eine Beschleunigung der Flüssigkeit (3) in dem von ihm und der Kolbenraumwand definierten Ringspalt bewirkt.
3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite des Kolbendummys (5) derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkeit (3) im Bereich der Kolbendummy-Unterseite gehalten oder beschleunigt wird.
4. Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbendummy (5) ein- oder mehrstückig ausgebildet ist.
5. Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (3) zumindest teilweise eine ionische
Flüssigkeit ist.
EP10720882.9A 2009-05-12 2010-05-04 Verdichter mit kolbendummy Active EP2430316B1 (de)

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