EP3175114B1

EP3175114B1 - Gehäuseoberteil eines labyrinthkolbenkompressors und verfahren zum kühlen desselben sowie labyrinthkolbenkompressor

Info

Publication number: EP3175114B1
Application number: EP15750943.1A
Authority: EP
Inventors: Urs Weilenmann; Benjamin REMBOLD; Andreas Allenspach
Original assignee: Burckhardt Compression AG
Current assignee: Burckhardt Compression AG
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2035-07-28
Also published as: CN106536929A; JP6483235B2; CN106536929B; WO2016016222A9; EP3175114A1; US20170218935A1; JP2017522499A; WO2016016222A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuseoberteil eines Labyrinthkolbenkompressors gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiter einen Labyrinthkolbenkompressor umfassend ein Gehäuseoberteil. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Kühlen eines Gehäuseoberteils eines Labyrinthkolbenkompressors gemäss Anspruch 12.

Stand der Technik

Labyrinthkolbenkompressoren sind Verdichter zur Komprimierung von Fluiden. Dabei ist ein Kolben derart in einem Zylinder angeordnet, dass zwischen der Mantelfläche des Kolbens und der Innenwand des Zylinders permanent ein Spalt besteht, sodass sich Kolben und Zylinder gegenseitig nicht berühren. Es wird dabei bewusst in Kauf genommen, dass ein Teil des Fluides zwischen der Zylinderwand und der Mantelfläche am Kolben vorbeiströmt. Um eine solche Leckage gering zu halten, wird der Spalt zwischen Zylinderwand und Mantelfläche so klein wie möglich gehalten.
Die Druckschrift JP2010209723 offenbart einen derartigen Labyrinthkolbenkompressor mit einem Gehäuseoberteil. Dieser Labyrinthkolbenkompressor weist den Nachteil auf, dass eine einseitige Abnutzung des Kolbens auftreten kann, was zu einer erhöhten Spaltbreite und zu einer erhöhten Leckage führt.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es ein vorteilhafteres Gehäuseoberteil für einen Labyrinthkolbenkompressor sowie einen vorteilhafteren Labyrinthkolbenkompressor und ein vorteilhafteres Verfahren zum Betrieb eines Labyrinthkolbenkompressors mit einem derartigen Gehäuseoberteil auszubilden.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Gehäuseoberteil aufweisend die Merkmale von Anspruch 1. Die Unteransprüche 2 bis 8 betreffen weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen. Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Labyrinthkolbenkompressor umfassend ein Gehäuseoberteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8. Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Verfahren zum Betrieb eines Gehäuseoberteils eines Labyrinthkolbenkompressors aufweisend die Merkmale von Anspruch 12. Die Unteransprüche 13 bis 15 betreffen weitere, vorteilhafte Verfahrensschritte.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einem Gehäuseoberteil eines Labyrinthkolbenkompressors umfassend einen in Richtung einer Längsachse verlaufenden Zylindermantel mit einem Zylinderinnenraum und einer Zylindermantelaussenseite, wobei der Zylindermantel zumindest eine Zylindereinlassöffnung oder zumindest eine Zylinderauslassöffnung aufweist, welche in den Zylinderinnenraum münden, wobei ein Gasverteilgehäuse den Zylindermantel in Umfangsrichtung zur Längsachse zumindest teilweise umschliesst, sodass zwischen dem Gasverteilgehäuse und zumindest einem Teilabschnitt der Zylindermantelaussenseite des Zylindermantels ein Gasverteilinnenraum ausgebildet ist, wobei der Teilabschnitt axialsymmetrisch bezüglich der Längsachse ausgestaltet ist, wobei der Gasverteilinnenraum entweder über die Zylindereinlassöffnung oder die Zylinderauslassöffnung Fluid leitend mit dem Zylinderinnenraum verbunden ist, und wobei das Gasverteilgehäuse entweder einen Gaseinlass oder einen Gasauslass umfasst, welcher Fluid leitend mit dem Gasverteilinnenraum verbunden ist..
Die Aufgabe wird weiter insbesondere gelöst mit einem Verfahren zum Kühlen eines Gehäuseoberteils eines Labyrinthkolbenkompressors umfassend einen in Richtung einer Längsachse verlaufenden Zylindermantel mit einem Zylinderinnenraum und einer Zylindermantelaussenseite, wobei ein zu komprimierendes Eintrittsfluid über eine am Zylindermantel angeordnete Zylindereinlassöffnung von einem Gasverteilinnenraum in den Zylinderinnenraum angesaugt wird, oder wobei ein komprimiertes Austrittsfluid über eine am Zylindermantel angeordnete Zylinderauslassöffnung aus dem Zylinderinnenraum in den Gasverteilinnenraum abgegeben wird, und wobei bezüglich der Längsachse axialsymmetrisch gegenüberliegend angeordnete Teilabschnitte der Zylindermantelaussenseite von demselben Eintrittsfluid oder Austrittsfluid umströmt werden.
Ein Labyrinthkolbenkompressor, auch als Labyrinthkolbenverdichter bezeichnet, umfasst zumindest ein Gehäuseoberteil sowie ein Gehäuseunterteil, und umfasst zumindest eine Kurbelwelle, einen Kreuzkopf, eine Kolbenstange sowie einen Kolben. Das Gehäuseoberteil und das Gehäuseunterteil sind fest miteinander verbunden. Im Gehäuseunterteil sind die Kurbelwelle sowie der Kreuzkopf angeordnet, wobei die Kolbenstange mit dem Kreuzkopf verbunden ist. Das Gehäuseoberteil umfasst einen Zylindermantel, wobei der Kolben innerhalb des Zylinderinnenraums des Zylindermantels angeordnet ist, und wobei der Kolben mit der Kolbenstange verbunden ist, und wobei der Kolben innerhalb des Zylinderinnenraums in Richtung der Längsachse verschiebbar gelagert ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Labyrinthkolbenkompressor zudem ein Distanzstück, das zwischen dem Gehäuseunterteil und dem Gehäuseoberteil angeordnet ist, wobei das Distanzstück auch ein Teil des Gehäuseunterteils oder ein Teil des Gehäuseoberteils sein kann, beziehungsweise wobei das Distanzstück im Gehäuseoberteil oder im Gehäuseunterteil integriert sein kann.
Das erfindungsgemässe Gehäuseoberteil für einen Labyrinthkolbenkompressor weist den Vorteil auf, dass die den Kolben des Labyrintkolbenkompressors umgebende Zylinderwand in Umfangsrichtung zur Längsachse eine im Wesentlichen axialsymmetrische Temperaturverteilung aufweist. Das heisst, dass die Zylinderwand an bezüglich der Längsachse axialsymmetrisch gegenüberliegenden Bereichen dieselben oder im Wesentlichen dieselben Temperatur aufweist. Dadurch ist gewährleistet, dass sich der Zylindermantel während des Betriebs des Labyrinthkolbenkompressors auf Grund der einwirkenden Temperatur nicht einseitig verzieht. Dies hat zur Folge, dass der Spalt zwischen der Zylinderwand und dem Kolben sehr klein gehalten werden kann, da eine Temperaturveränderung des Zylindermantels während des Betriebs keinen oder einen nur geringfügigen Verzug zur Folge hat. Der kleine Spalt hat zur Folge, dass der erfindungsgemässe Labyrinthkolbenkompressor eine geringe Leckage aufweist. Vorteilhafterweise weist der erfindungsgemässe Labyrinthkolbenkompressor zudem einen geringen Verschleiss auf, was einen langfristig zuverlässigen und wartungsarmen Betrieb des Labyrinthkolbenkompressors ermöglicht.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umschliesst ein Gasverteilgehäuse, das sich in Umfangsrichtung um 360° erstreckt, die Zylinderwand von Aussen, wobei in diesem durch das Gasverteilgehäuse und die Zylinderwand gebildeten Gasverteilinnenraum entweder ein zu komprimierendes Eintrittsfluid oder ein komprimiertes Austrittsfluid strömt, was zur Folge hat, dass die Zylindermantelaussenseite in Umfangsrichtung von demselben Fluid umströmt wird, und die Zylindermantelaussenseite in Umfangsrichtung deshalb dieselbe oder im wesentlichen dieselbe Temperatur aufweist. Dadurch ist gewährleistet, dass sich der Zylindermantel während des Betriebs des Labyrinthkolbenkompressors auf Grund der einwirkenden Temperatur und der daraus resultierenden Materialdehnungen gewisser Bereiche des Zylindermantels nicht einseitig verzieht. Das in den Labyrinthkolbenkompressor einströmende Eintrittsfluid und das ausströmende Austrittsfluid ist beim erfindungsgemässen Gehäuseoberteil vorteilhafterweise derart geleitet, dass der Zylinder in Umfangsrichtung dieselbe oder im wesentlichen dieselbe Temperatur aufweist.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann der Zylindermantel in Richtung der Längsachse eine abschnittweise höhere oder tiefere Temperaturen aufweisen, wobei in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Zylinder in Umfangsrichtung dieselbe oder im Wesentlichen dieselbe Temperatur aufweist. Aufgrund der symmetrischen oder im Wesentlichen symmetrischen Temperaturverteilung ist gewährleistet, dass sich der Zylindermantel aufgrund der Temperatur nicht einseitig verzieht. Dies ermöglicht es den Abrieb des Kolbens und der Zylinderinnenfläche sehr gering zu halten und zu gewährleisten, dass während dem Betrieb des Labyrinthkolbenkompressors kein einseitiger Verschleiss auftritt, welcher zu erhöhter Leckage und unter Umständen zu einem Kolbenfresser führen könnte. Ein derartiger Labyrinthkolbenkompressor umfassend das erfindungsgemässe Gehäuseoberteil weist den Vorteil auf, dass dieser eine höhere Effizienz aufweist, und/oder dass das Fluid auf einen höheren Druck komprimierbar ist und/oder dass der Labyrinthkolbenkompressor mit tieferer Drehzahl betrieben werden kann. Im Gegensatz zum erfindungsgemässen Gehäuseoberteil weist das in der Druckschrift JP2010209723 offenbarte Gehäuseoberteil beziehungsweise der Labyrinthkolbenkompressor im ungekühlten Zustand in Umfangsrichtung des Zylinders stark unterschiedliche Temperaturen auf, sodass am Zylinder während des Betriebs ein Wärmeverzug auftritt, was zur Folge hat, dass sich der Kolben an der Zylinderwand einseitig abnutzt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das erfindungsgemässe Gehäuseoberteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Aluminium weist wesentlich bessere Tieftemperatureigenschaften als beispielsweise Gusseisen wie Grauguss auf. So ist ein Kompressor mit einem Zylinder aus Aluminium für eine Betriebstemperatur von bis zu -160°C zugelassen, während ein Zylinder aus Grauguss nur für eine Betriebstemperatur von bis zu
-40°C zugelassen ist. Ein Labyrinthkolbenkompressor umfassend das erfindungsgemässe Gehäuseoberteil gefertigt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung weist somit den Vorteil auf, dass dieser auch bei sehr tiefen Betriebstemperaturen von bis zu -160°C verwendet werden kann, beispielsweise im Bereich der Kryotechnik beziehungsweise der Tieftemperaturtechnik bei Temperaturen von tiefer als -150°C, beispielsweise zur Verflüssigung von Gasen. Ein Gehäuseoberteil gefertigt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung weist zudem den Vorteil auf, dass dessen Herstellung kostengünstiger ist als ein Gehäuseoberteil gefertigt aus einer Eisenlegierung, beispielweise aus Gusseisen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gehäuseoberteils eines Labyrinthkolbenkompressors entlang der Schnittlinie A-A;
Fig. 2: eine Draufsicht auf das Gehäuseoberteil gemäss Figur 1;
Fig. 3: einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Gehäuseoberteils entlang der Schnittlinie B-B;
Fig.4: eine Draufsicht auf das Gehäuseoberteil gemäss Figur 3;
Fig. 5: eine perspektivische Ansicht des Gehäuseoberteils gemäss Figur 3;
Fig. 6: einen Längsschnitt des zweiten Ausführungsbeispiel des Gehäuseoberteils entlang der Schnittlinie C-C;
Fig. 7: eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Gehäuseoberteils;
Fig. 8: einen Längsschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel eines Gehäuseoberteils;
Fig. 9: einen Querschnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel entlang der Schnittlinie D-D;
Fig. 10: einen Längsschnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Gehäuseoberteils;
Fig. 11: einen weiteren Längsschnitt durch das fünfte Ausführungsbeispiel des Gehäuseoberteils;
Fig. 12: einen Querschnitt durch das fünfte Ausführungsbeispiel entlang der Schnittlinie E-E;
Fig. 13: einen Längsschnitt durch ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Gehäuseoberteils;
Fig. 14: einen Querschnitt durch siebtes Ausführungsbeispiel eines Gehäuseoberteils.

Grundsätzlich sind in den Zeichnungen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Teilausschnitt eines Labyrinthkolbenkompressors 21 umfassend, nebst den nicht dargestellten Komponenten, ein Gehäuseoberteil 1, ein Distanzstück 22, einen Kolben 15 mit einer Kolbenstange 16, eine Dichtung 23 sowie eine Linearführung 24. Das Gehäuseoberteil 1 umfasst einen Zylindermantel 2 mit einem in Richtung einer Längsachse L verlaufenden Zylinderinnenraum 2a. Der Kolben 15 ist innerhalb des Zylinderinnenraums 2a angeordnet, und ist gemeinsam mit der Kolbenstange 16 in Richtung der Längsachse L in Bewegungsrichtung L1 verschiebbar gelagert ist. Der Kolben 15 weist an der eine Seitenfläche 15a ausbildenden Mantelfläche feine, in Umfangsrichtung verlaufende Rillen auf, welche nicht im Detail dargestellt sind.
Der Zylindermantel 2 umfasst zumindest eine Zylindereinlassöffnung 4, welche in den Zylinderinnenraum 2a mündet. Zudem ist an der Stirnseite des Zylinderinnenraums 2a eine Zylinderauslassöffnung 6 angeordnet. Die Zylindereinlassöffnung 4 sowie die Zylinderauslassöffnung 6 sind in Längsrichtung L vorzugsweise beabstandet angeordnet. Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 1 ist die Zylinderauslassöffnung 6 nur geringfügig höher angeordnet als die Zylindereinlassöffnung 4. Der Zylindermantel 2 ist von einem Gasverteilgehäuse 9a umgeben, derart, dass sich zwischen der Aussenseite 2e des Zylindermantels 2 und dem Gasverteilgehäuse 9a ein sich in Umfangsrichtung um 360° erstreckender Innenraum 9b ausbildet. Das Gasverteilgehäuse 9a weist zumindest eine einzige Gaseinlassöffnung 9 auf, und weist im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei bezüglich der Längsrichtung L gegenüberliegende Gaseinlassöffnungen 9 auf, durch welche das zu komprimierende Eintrittsfluid von Aussen angesogen wird. Zwischen dem Innenraum 9b und der Zylindereinlassöffnung 4 ist ein nur schematisch dargestelltes Einlassventil 5 angeordnet, welches das Gas in der mit einem Pfeil angedeuteten Richtung passieren lässt, und in der Gegenrichtung einen Gasfluss verhindert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Einlassventile 5 symmetrisch zur Längsrichtung L angeordnet. Das Gasverteilgehäuse 9a weist eine Zugangsöffnung 9c für das Ventil 5 auf, um das Ventil 5 zu warten oder zu ersetzen. Die Zugangsöffnung 9c ist mit einer Abdeckplatte 19 verschlossen. An der oberen Stirnseite des Zylinders 2 ist ein stirnseitiges Abschlussteil 8 angeordnet. Das Abschlussteil 8 umfasst drei Zylinderauslassöffnungen 6, denen nachfolgend je ein schematisch dargestelltes Auslassventil 7 angeordnet ist. Die Auslassventile 7 lassen das komprimierte Austrittsfluid bzw. Gas in der mit einem Pfeil angedeuteten Richtung passieren, und verhindern in der Gegenrichtung einen Gasfluss. Das Abschlussteil 8 endet in einem Gasauslass 10. Im Gehäuseoberteil 1 ist zudem eine Kolbenstangendichtung 23 angeordnet. Der Labyrinthkolbenkompressor 21 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel zudem ein Distanzstück 22 mit einem Standfuss 18 sowie einer Linearführung 24. Das Gehäuseoberteil 1 ist über das Distanzstück 22 mit einem nur andeutungsweise dargestellten Gehäuseunterteil 25 verbunden. Das Gehäuseoberteil 1 ist am Standfuss 18 befestigt. Der Labyrinthkolbenkompressor 21 umfasst oben einen Verdichtungsraum 3, wogegen unten in der Zylinderwand 2d ein Ein- und Auslass 2f angeordnet ist, welcher zwischen dem unteren Zylinderinnenraum 3c und dem Innenraum 9b des Gasverteilgehäuses 9a eine Fluid leitende Verbindung ausbildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Zylindereinlassöffnungen 4 in Richtung der Längsachse L auf derselben Höhe angeordnet und in Umfangsrichtung um 180° gegenseitig beabstandet. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, dass das über den Gaseinlass 9 einströmende Fluid in den Innenraum 9b strömt, und dabei die Zylindermantelaussenseite 2e umströmt, bevor das Gas über das Einlassventil 5 in die Zylindereinlassöffnung 4 strömt. Die Zylindermantelaussenseite 2e weist deshalb in Umfangsrichtung dieselbe oder etwa dieselbe Temperatur auf. Auf Grund der Kompression des Gases im Verdichtungsraum 3 kann sich die Temperatur der Gehäusewand des Zylindermantels 2 in Verlaufsrichtung der Längsachse L in Richtung zur Zylinderauslassöffnung 6 hin erhöhen, wobei der Zylindermantel 2 in Umfangsrichtung jeweils dieselbe oder etwa dieselbe Temperatur aufweist. Dadurch weist der Zylindermantel 2 radial zur Längsachse L eine symmetrische oder annähernd symmetrische Temperaturverteilung auf, was zur Folge hat, dass in radialer Richtung kein oder kaum ein Wärmeverzug am Zylindermantel 2 entsteht. Dies ergibt den Vorteil, dass der Kolben nicht einseitig verschleisst. Dies erhöht die Dichtung des Kolbens 15, beziehungsweise ermöglicht das Gas im Verdichtungsraum 3 auf einen höheren Druck zu komprimieren. Zudem wird der Wirkungsgrad des Labyrinthkolbenkompressors erhöht.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht des in Figur 1 dargestellten Gehäuseoberteils 21. Am stirnseitigen Abschlussteil 8 sind der Gasauslass 10 sowie die Auslassventile 7 erkennbar. Das Gasverteilgehäuse 9a weist links und rechts je eine Abdeckplatte 19 auf.
Figur 3 zeigt in einem Längsschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gehäuseoberteils 1, das im Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel für zwei Kompressionsräume ausgestaltet ist, einen ersten Verdichtungsraum 3a sowie einen zweiten Verdichtungsraum 3b. Wie in Figur 3 dargestellt kann das Distanzstück 22 auch ein Teil des Gehäuseoberteils 1 sein. In der dargestellten Ansicht ist der Bereich oberhalb des Kolbens 15 identisch ausgestaltet wie in Figur 1 dargestellt. Im Bereich oberhalb des Kolbens 15 ist die Zylinderöffnung 4a mit Einlassventil 5a dargestellt, welche in den ersten Verdichtungsraum 3a münden, sowie die Zylinderauslassöffnung 6a sowie das Auslassventil 7a, welche zwischen dem ersten Verdichtungsraum 3a und dem Gasauslass 10a angeordnet sind. Der Zylinderinnenraum 2a unterhalb des Kolbens 15 bilden einen zweiten Verdichtungsraum 3b. Im Bereich unterhalb des Kolbens 15 ist die Zylinderöffnung 4b mit Einlassventil 5b dargestellt, welche in den zweiten Verdichtungsraum 3b münden, sowie eine Zylinderauslassöffnung 6b sowie einem Auslassventil 7b, welche zwischen dem zweiten Verdichtungsraum 3b und einem Gasleitungsgehäuse 10c angeordnet sind.
Die in Figur 4 dargestellte Draufsicht auf das Gehäuseoberteil 1 gemäss Figur 3 zeigt den Gasauslass 10a des ersten Verdichtungsraums 3a, und zeigt die Auslassventile 7a. Zudem ist der Gaseinlass 9 dargestellt, der im Gasverteilgehäuse 9a seitlich angeordnet ist.
Figur 5 zeigt das in den Figuren 3 und 4 dargestellte Gehäuseoberteil 1 in perspektivischer Ansicht, wobei insbesondere der Gaseinlass 9 sichtbar ist, sowie oben und unten der Gasauslass 10a des ersten Verdichtungsraumes 3a sowie der Gasauslass 10b des zweiten Verdichtungsraumes 3b.
Figur 6 zeigt einen Längsschnitt entlang der Schnittlinie C-C des in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellten Gehäuseoberteils 1. Figur 9 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittlinie D-D des in den Figuren 3 bis 6 dargestellten Gehäuseoberteils 1, wobei in Unterschied zu den Figuren 3 und 6 in Figur 9 der Kolben 15 nicht dargestellt ist, und von den Auslassventilen 5 nur der Ventilsitz 5b dargestellt ist. Wie aus Figur 9 ersichtlich ist das Gasverteilgehäuse 9a derart ausgestaltet, dass dieses einen rundherum um einen Winkel α von 360° um die Zylindermantelaussenseite 2e verlaufenden Innenraum 9b ausbildet, wobei der Gaseinlass 9 in diesen Innenraum 9b mündet. Diese Anordnung des Gaseinlasses 9 weist den Vorteil auf, dass das angesogene Gas vorerst entlang der Zylindermantelaussenseite 2e strömt, um danach über die Einlassventile 5a, 5b in den ersten und zweiten Verdichtungsraum 3a, 3b eingesogen zu werden. Dies hat zur Folge, dass die Zylindermantelaussenseite 2e ständig gekühlt wird, vorzugsweise wie in Figur 6 dargestellt, entlang der gesamten Höhe L2 des Verdichtungsraumes 3, welcher den ersten und den zweiten Verdichtungsraum 3a, 3b umfasst. Figur 6 zeigt oben das stirnseitige Abschlussteil 8, in welchem die Zylinderauslassöffnung 6a, das in Strömungsrichtung nachfolgend angeordnete Auslassventil 7a und der nachfolgend angeordnete Gasauslass 10a sichtbar ist. Figur 6 zeigt unten das Gasleitgehäuse 10c, dessen Innenraum 10d in den Gasauslass 10b mündet, wobei der zweite Verdichtungsraum 3b über die Zylinderauslassöffnung 6b, das Auslassventil 7b und den Innenraum 10d Fluid leitend mit dem Gasauslass 10b verbunden ist.
Die in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele weisen Zylinderauslassöffnungen 6, 6a, 6b auf, welche jeweils an der Stirnseite 2b, 2c des Zylinderinnenraums 2 angeordnet sind. Da das im Verdichtungsraum 3a, 3b komprimierte Gas während der Verdichtung auch erwärmt wird, weist das über die Zylinderauslassöffnungen 6, 6a, 6b ausströmende komprimierte Austrittsgas eine höhere Temperatur auf als das in den Zylinderinnenraum 2 einströmende, zu komprimierende Eintrittsgas. Weil das Austrittsgas nicht durch die Zylinderwand 2d hindurchgeleitet wird, sondern über die Stirnseite 2b, 2c des Zylinderinnenraumes 2 abgeleitet wird, wird die Zylinderwand 2d weniger stark lokal erwärmt, was zur Folge hat, dass ein möglicher Wärmeverzug des Zylindermantels 2 erheblich reduziert wird. Die Ableitung des Austrittsgases an der Stirnseite hat zudem den Vorteil, dass die Ableitung am Ende des Zylinderinnenraumes 2a beziehungsweise ausserhalb des Zylinderinnenraumes 2a erfolgt, sodass das wärmere, ausströmende Gas die Zylinderwand 2d überhaupt nicht oder nur sehr gering erwärmen kann. Vorteilhafterweise weist der Zylinderinnenraum 2a in Richtung der Längsachse L eine Innenraumlänge L2 auf, welche kleiner ist als die Länge des Gasverteilinnenraums 9b, wie dies in Figur 6 dargestellt ist. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass das über den Gaseinlass 9 einströmende Eintrittsgas auch diejenige Aussenseite 2e des Zylindermantels 2 kühlt, hinter welcher das stirnseitige Abschlussteil 8 angeordnet ist, sodass auch diese gekühlt wird, was zur Folge hat, dass Temperaturunterschiede im Zylindermantel 2 reduziert werden, und somit ein möglicher Wärmeverzug des Zylindermantels 2 reduziert wird.
Die in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele könnten auch derart ausgestaltet sein, dass die Einlassventile 5 und die Auslassventile 7 vertauscht angeordnet sind, sodass das Eintrittsfluid über den Gasauslass 10 und das Einlassventil 5 in den Verdichtungsraum 3 strömt, und das Austrittsfluid vom Verdichtungsraum 3 über die Zylindereinlassöffnung 4 und das Auslassventil 7 in die Gaskammer 9b strömt. Dabei umströmt das Austrittsfluid die Zylindermantelaussenseite 2e und tritt bei der Öffnung 9 aus, wobei die Zylindermantelaussenseite 2e eine gleichmässige Temperaturverteilung aufweist.
Figur 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Gehäuseoberteils 1. Zwischen dem oberen Gasauslass 10a und dem unten angeordneten Gasleitungsgehäuse 10c ist ein Fluid leitender Verbindungskanal 17 angeordnet, sodass über eine Öffnung 17a eine Gas leitende Verbindung zwischen dem Gasauslass 10a und dem Gasleitungsgehäuse 10c entsteht. Der Gasauslass 10a ist mit eine nur teilweise dargestellten Abdeckplatte 20 gasdicht verschlossen, sodass das gesamte, über das Auslassventil 7a ausströmende, komprimierte Austrittsgas dem Gasleitungsgehäuse 10c und nachfolgend dem Gasauslass 10b zugeführt wird. Das in Figur 7 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Gehäuseoberteils 1 weist somit den Vorteil auf, dass dieses einen einzigen Gaseinlass 9 und einen einzigen Gasauslass 10b aufweist.
Figur 8 zeigt in einem Längsschnitt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Gehäuseoberteils 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist der zum Labyrinthkolbenkompressor 21 gehörende Kolben 15 mit Kolbenstange 16 nicht dargestellt. Im Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Ausführungsbespiel gemäss Figur 8 die Zylinderauslassöffnungen 6 ebenfalls in der Zylinderwand 2d des Zylindermantels 2 angeordnet. Das stirnseitige Abschlussteil 8 ist derart ausgestaltet, dass ein Fluid leitender Kanal zwischen dem Verdichtungsraum 3 und den Zylinderauslassöffnungen 6 ausgebildet ist. Nachfolgend jeder der Zylinderauslassöffnungen 6 ist ein Auslassventil 7 angeordnet, welches in einen Gasverteilinnenraum 10f mündet. Eine Zugangsöffnung 10e für das Auslassventil 7 ist mit einer Abdeckplatte 19 verschlossen. Der Gasverteilinnenraum 10f weist an der hinteren Seite einen Gasauslass 10a auf, weshalb der Gasauslass 10a nur strichliert dargestellt ist. Ansonsten ist das Gehäuseoberteil 1 im Wesentlichen wie in Figur 1 dargestellt ausgestaltet.
Die Figuren 10 bis 12 zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Gehäuseoberteils 1. Figur 10 zeigt in einem Längsschnitt ein Gehäuseoberteil 1 mit einem ersten und einem zweiten Verdichtungsraum 3a, 3b. Zwei Zylinderöffnungen 4a münden in den ersten Verdichtungsraum 3a. Eine Zylinderöffnung 4b mündet in den zweiten Verdichtungsraum 3b. Die Zugangsöffnungen 9c für die Ventile 5a, 5b sind mit Abdeckplatten 19 verschlossen. Ein Gaseinlass 9 mündet in den Gasverteilinnenraum 9b. Ein nur schematisch dargestellter Verbindungskanal 17 leitet das über den Gaseinlass 9 eingetretene, zu komprimierende Eingangsfluid zum links angeordneten Gasverteilinnenraum 9b. Figur 11 zeigt in einem Längsschnitt ein Gehäuseoberteil 1 mit einem ersten und einem zweiten Verdichtungsraum 3a, 3b. Zwei Zylinderauslassöffnungen 6a münden vom ersten Verdichtungsraum 3a in den Gasverteilinnenraum 9b. Eine Zylinderauslassöffnung 6b mündet vom zweiten Verdichtungsraum 3b in den Gasverteilinnenraum 9b. Die Zugangsöffnungen 10e für die Ventile 7a, 7b sind mit Abdeckplatten 19 verschlossen. Ein Gasauslass 10 verlässt den Gasverteilinnenraum 9b. Ein nur schematisch dargestellter Verbindungskanal 17 leitet das sich im links angeordneten Gasverteilinnenraum 9b befindliche komprimierte Austrittsgas über den nur schematisch dargestellten Verbindungskanal 17 dem Gasauslass 10 zu. Figur 12 zeigt einen Schnitt durch die Figuren 10 und 11 entlang der Schnittlinie E-E, wobei in Figur 12 der Kolben 15 und die Kolbenstange 16 nicht dargestellt sind. Die Gasverteilgehäuse 9a sind derart ausgestaltet, dass der Gasverteilinnenraum 9b nur entlang eines Teilabschnittes 2g an der Zylindermantelaussenseite 2e anliegt. Die Teilabschnitte 2g verlaufen axialsymmetrisch bezüglich der Längsachse L, was zur Folge hat, dass bezüglich der Längsachse L gegenüber liegende Teilabschnitte 2g der Zylindermantelaussenseite 2e dieselbe oder etwa dieselbe Temperatur aufweisen, da diese gegenüber liegenden Teilabschnitte 2g von demselben Gas umströmt werden, entweder vom zu komprimierenden Eintrittsgas oder vom komprimierten Austrittsgas. Vorteilhafterweise erstreckt sich der Teilabschnitt 2g in Umfangsrichtung U über zumindest 20° oder zumindest 30°. In dem in Figur 12 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Gasverteilinnenräume 9b im dargestellten Schnitt gegenseitig senkrecht verlaufend ausgestaltet. Die Gasverteilinnenräume 9b können, wie in Figur 14 dargestellt, gegenseitig auch unter einem spitzen beziehungsweise einem stumpfen Winkel verlaufen. Die in Figur 14 dargestellte Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass das Gehäuseoberteil 1 weniger Platz benötigt, sodass mehrere Labyrinthkolbenkompressoren 21 gegenseitig dichter nebeneinander angeordnet werden können.
Figur 13 zeigt in einem Längsschnitt ein sechstes Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das in Figur 13 dargestellte Gehäuseoberteil 21 nur auf der linken Seite des Gasverteilinnenraums 9b Ventilsitze 5a,5b und darin angeordnete Ventile 5 auf, wogegen im rechts dargestellten Teil des Gasverteilinnenraums 9b keine Ventile angeordnet sind. Ansonsten sind die in den Figuren 3 und 13 dargestellten Gehäuseoberteile 1 gleicht ausgestaltet, sodass weitere Details insbesondere aus den Figuren 4 und 9 ersichtlich sind.
Das erfindungsgemässe Gehäuseoberteil 1 weist zumindest eine Zylindereinlassöffnung 4 und zumindest eine Zylinderauslassöffnung 6 auf. Vorzugsweise sind in Umfangsrichtung zur Längsachse L eine Mehrzahl von Zylindereinlassöffnungen 4 in Umfangsrichtung beabstandet in der Zylinderwand 2d angeordnet. Vorzugsweise sind die Zylindereinlassöffnungen 4 in Umfangsrichtung regelmässig beabstandet, wobei in Umfangsrichtung vorzugsweise zwei, drei oder vier Zylindereinlassöffnungen 4 angeordnet sind. Ebenso könnten, wie in Figur 8 dargestellt, in Umfangsrichtung zur Längsachse L eine Mehrzahl von Zylinderauslassöffnungen 6 in Umfangsrichtung beabstandet in der Zylinderwand 2d angeordnet. Vorzugsweise sind die Zylinderauslassöffnungen 6 in Umfangsrichtung regelmässig beabstandet, wobei in Umfangsrichtung vorzugsweise zwei, drei oder vier Zylinderauslassöffnungen 6 angeordnet sind. Die Zylinderauslassöffnungen 6 sind jedoch bevorzugt an der Stirnseite des Zylinderinnenraums 2a angeordnet, wobei die Zylinderauslassöffnungen 6 vorzugsweise in Richtung der Längsachse L verlaufen. In Umfangsrichtung zur Längsachse L kann eine einzige Zylinderauslassöffnung 6 angeordnet sein, vorzugsweise jedoch zwei, drei oder vier Zylinderauslassöffnungen 6.
Der Labyrinthkolbenkompressor 21 umfasst einen in Richtung einer Längsachse L verlaufenden Zylindermantel 2 mit einem Zylinderinnenraum 2a und einer Zylindermantelaussenseite 2e, wobei im Zylinderinnenraum 2a ein Kolben 15 in Richtung der Längsachse L verschiebbar gelagert ist und einen Verdichtungsraum 3 ausbildet, wobei das zu komprimierende Gas über eine den Zylindermantel 2 durchdringende Zylindereinlassöffnung 4 angesaugt wird.
Das Verfahren zum Kühlen des Gehäuses 1 des Labyrinthkolbenkompressors 21 erfolgt derart, dass ein zu komprimierendes Eintrittsfluid über eine am Zylindermantel 2 angeordnete Zylindereinlassöffnung 4 von einem Gasverteilinnenraum 9b in den Zylinderinnenraum 2a angesaugt wird, oder wobei ein komprimiertes Austrittsfluid über eine am Zylindermantel 2 angeordnete Zylinderauslassöffnung 6 aus dem Zylinderinnenraum 2a in den Gasverteilinnenraum 9b abgegeben wird, wobei bezüglich der Längsachse L axialsymmetrisch gegenüberliegend angeordnete Teilabschnitte 2g der Zylindermantelaussenseite 2e von demselben Eintrittsfluid oder Austrittsfluid umströmt werden. Dies hat zur Folge, dass gegenüberliegend angeordnete Teilabschnitt 2g dieselbe oder im Wesentlichen dieselben Temperatur aufweisen.
In einem vorteilhaften Verfahren verläuft der Teilabschnitt 2g entlang eines Winkels von 360°, sodass die Zylindermantelaussenseite 2e in Umfangsrichtung der Längsachse L um einen Winkel α von 360 Grad vom zu komprimierenden Eintrittsfluid oder vom komprimierten Austrittsfluid umströmt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Zylindermantelaussenseite 2e in Umfangsrichtung der Längsachse L zumindest zwei in Umfangsrichtung beabstandete Teilabschnitte 2g auf, die sich in Umfangsrichtung über einen Winkel von jeweils zumindest 30° erstrecken.
In einem vorteilhaften Verfahren wird das Austrittfluid über eine an der Stirnseite des Zylinderinnenraums 2a angeordnete Zylinderauslassöffnung 6 ausgestossen, wobei die Zylindereinlassöffnung 4 und die Zylinderauslassöffnung 6 in Richtung der Längsachse L beabstandet sind, um an der Zylindermantelaussenseite 2e in Richtung der Längsachse L einen Temperaturgradient zu bewirken.
Vorzugsweise erfolgt das Verfahren derart, dass das zu komprimierende Fluid über eine Mehrzahl von im Zylindermantel 2 bezüglich der Längsachse L auf derselben Höhe angeordneten und in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Zylindereinlassöffnung 4 angesaugt wird, um in Umfangsrichtung dieselbe Temperatur zu erzeugen.
Vorzugsweise erfolgt das Verfahren weiter derart, dass der Zylindermantel 2 eine Zylindermantelaussenseite 2e aufweist, und dass die Aussenseite 2e zumindest entlang der Innenraumlänge L2 von dem zu komprimierenden Fluid umströmt wird, um den Zylindermantel 2 entlang der Innenraumlänge L2 zu kühlen, bevor das zu komprimierende Fluid in den Zylinderinnenraum 2a einströmt.

Claims

Gehäuseoberteil (1) eines Labyrinthkolbenkompressors umfassend einen in Richtung einer Längsachse (L) verlaufenden Zylindermantel (2) mit einem Zylinderinnenraum (2a) und einer Zylindermantelaussenseite (2e), wobei der Zylindermantel (2) zumindest eine Zylindereinlassöffnung (4, 4a, 4b) oder zumindest eine Zylinderauslassöffnung (6, 6a, 6b) aufweist, welche in den Zylinderinnenraum (2a) münden, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Gasverteilgehäuse (9a) den Zylindermantel (2) in Umfangsrichtung zur Längsachse (L) zumindest teilweise umschliesst, sodass zwischen dem Gasverteilgehäuse (9a) und zumindest einem Teilabschnitt (2g) der Zylindermantelaussenseite (2e) des Zylindermantels (2) ein Gasverteilinnenraum (9b) ausgebildet ist, wobei der Teilabschnitt (2g) axialsymmetrisch bezüglich der Längsachse (L) ausgestaltet ist,
wobei der Gasverteilinnenraum (9b) entweder über die Zylindereinlassöffnung (4, 4a, 4b) oder die Zylinderauslassöffnung (6, 6a, 6b) Fluid leitend mit dem Zylinderinnenraum (2a) verbunden ist, und wobei das Gasverteilgehäuse (9a) entweder einen Gaseinlass (9) oder einen Gasauslass (10) umfasst, welcher Fluid leitend mit dem Gasverteilinnenraum (9b) verbunden ist.
Gehäuseoberteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderinnenraum (2a) eine Zylinderinnenraumlänge (L2) aufweist, und dass sich der Gasverteilinnenraum (9b) zumindest entlang der Zylinderinnenraumlänge (L2) erstreckt, sodass der Teilabschnitt (2g) der Zylindermantelaussenseite (2e) zumindest entlang der gesamten Länge der Zylinderinnenraumlänge (L2) eine Begrenzung des Gasverteilinnenraums (9b) bildet.
Gehäuseoberteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasverteilgehäuse (9a) die Zylindermantelaussenseite (2e) in Umfangsrichtung der Längsachse (L) um einen Winkel (α) von 360° umschliesst, sodass sich der Gasverteilinnenraum (9b) beziehungsweise der Teilabschnitt (2g) in Umfangsrichtung über 360° erstreckt.
Gehäuseoberteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylindermantelaussenseite (2e) in Umfangsrichtung der Längsachse (L) zumindest zwei in Umfangsrichtung beabstandete Teilabschnitte (2g) umfasst, welche entlang der Zylindermantelaussenseite (2e) eine Begrenzung des Gasverteilinnenraums (9b) bilden, wobei die Teilabschnitte (2g) sich in Umfangsrichtung über einen Winkel von zumindest 30° erstrecken.
Gehäuseoberteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylindereinlassöffnung (4, 4a, 4b) sowie die Zylinderauslassöffnung (6, 6a, 6b) in Längsrichtung (L) beabstandet angeordnet sind.
Gehäuseoberteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Zylindereinlassöffnungen (4, 4a, 4b) oder von Zylinderauslassöffnung (6, 6a, 6b) bezüglich der Längsachse (L) auf derselben Höhe, und bezüglich der Längsachse (L) in Umfangsrichtung gegenseitig beabstandet angeordnet sind.
Gehäuseoberteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Zylindereinlassöffnungen (4) oder zwei Zylinderauslassöffnungen (6) bezüglich der Längsachse (L) gegenüberliegend angeordnet sind.
Gehäuseoberteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderauslassöffnung (6) oder die Zylindereinlassöffnung (4) in Richtung der Längsachse (L) verlaufend an einer Stirnseite (2b,2c) des Zylinderinnenraumes (2a) angeordnet ist.
Labyrinthkolbenkompressor umfassend ein Gehäuseoberteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie umfassend einen Kolben (15) sowie eine Kolbenstange (16), wobei der Kolben (15) den Zylinderinnenraum (2a) in einen ersten Verdichtungsraum (3a) und einen zweiten Verdichtungsraum (3b) unterteilt, wobei eine erste Zylindereinlassöffnung (4a) in den ersten Verdichtungsraum (3a) mündet, wobei eine zweite Zylindereinlassöffnung (4b) in den zweiten Verdichtungsraum (3b) mündet, wobei die erste Zylinderauslassöffnung (6a) an der der Kolbenstange (16) abgewandten Stirnseite (2b) des Zylinderinnenraumes (2a) angeordnet ist, und wobei eine zweite Zylinderauslassöffnung (6b) an der der Kolbenstange (16) zugewandten Stirnseite (2c) des Zylinderinnenraumes (2a) angeordnet ist.
Labyrinthkolbenkompressor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungskanal (17) die erste und die zweite Zylinderauslassöffnung (6a,6b) Fluid leitend miteinander verbindet, und dass der Verbindungskanal (17) Fluid leitend mit einem Gasauslass (10b) verbunden ist.
Labyrinthkolbenkompressor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteilinnenraum (9b) in Richtung der Längsachse (L) zudem zumindest einen Teilabschnitt der Zylinderauslassöffnung (6,6a,6b) von Aussen umschliesst.
Verfahren zum Kühlen eines Gehäuseoberteils (1) eines Labyrinthkolbenkompressors umfassend einen in Richtung einer Längsachse (L) verlaufenden Zylindermantel (2) mit einem Zylinderinnenraum (2a) und einer Zylindermantelaussenseite (2e), wobei ein zu komprimierendes Eintrittsfluid über eine am Zylindermantel (2) angeordnete Zylindereinlassöffnung (4) von einem Gasverteilinnenraum (9b) in den Zylinderinnenraum (2a) angesaugt wird, oder wobei ein komprimiertes Austrittsfluid über eine am Zylindermantel (2) angeordnete Zylinderauslassöffnung (6) aus dem Zylinderinnenraum (2a) in den Gasverteilinnenraum (9b) abgegeben wird, und wobei bezüglich der Längsachse (L) axialsymmetrisch gegenüberliegend angeordnete Teilabschnitte (2g) der Zylindermantelaussenseite (2e) von demselben Eintrittsfluid oder Austrittsfluid umströmt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylindermantelaussenseite (2e) in Umfangsrichtung der Längsachse (L) um einen Winkel (α) von 360 Grad vom zu komprimierenden Eintrittsfluid oder vom komprimierten Austrittsfluid umströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet dass die Zylindermantelaussenseite (2e) in Umfangsrichtung der Längsachse (L) zumindest zwei in Umfangsrichtung beabstandete Teilabschnitte (2g) umfasst, die sich in Umfangsrichtung über einen Winkel von jeweils zumindest 30° erstrecken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Austrittfluid über eine an der Stirnseite des Zylinderinnenraums (2a) angeordnete Zylinderauslassöffnung (6) ausgestossen wird, wobei die Zylindereinlassöffnung (4) und die Zylinderauslassöffnung (6) in Richtung der Längsachse (L) beabstandet sind, um an der Zylindermantelaussenseite (2e) in Richtung der Längsachse (L) einen Temperaturgradient zu bewirken.