EP3981983A1 - Kompressor zum komprimieren von gasen - Google Patents

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EP3981983A1
EP3981983A1 EP21200840.3A EP21200840A EP3981983A1 EP 3981983 A1 EP3981983 A1 EP 3981983A1 EP 21200840 A EP21200840 A EP 21200840A EP 3981983 A1 EP3981983 A1 EP 3981983A1
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EP
European Patent Office
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compressor
cylinders
piston
electric motor
pistons
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21200840.3A
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English (en)
French (fr)
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Mehrer Compression GmbH
Original Assignee
Mehrer Compression GmbH
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Publication date
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    • F04B2201/02—Piston parameters
    • F04B2201/0206—Length of piston stroke

Definitions

  • the invention relates to a compressor for compressing gases with the features of the preamble of claim 1.
  • Compressors for compressing gases are known from the prior art, for example in the form of compressors used in workshops or by do-it-yourselfers.
  • Such compressors have a cylinder in which a piston is guided, which is usually driven by a crank mechanism.
  • the rotation of the crankshaft is converted into a translational movement and the piston is accelerated or decelerated in a sinusoidal manner.
  • the crankshaft can be driven, for example, by an electric motor.
  • a gas sucked in in the cylinder can be compressed by means of the piston and, for example, fed to a storage tank, for example to provide compressed air.
  • the disadvantage of this design is that the piston movement in the cylinder is dictated by the design and cannot be changed.
  • the compression ratio is also fixed. In any case, it is not possible to adapt the compressor to a different application, for example by means of a different delivery rate or a different compression ratio, without design changes to the crank mechanism or to the piston and cylinder.
  • Another compressor is off DE 31 42 950 A1 famous.
  • This compressor has two cylinders which are connected in series to obtain the highest possible compression.
  • the two pistons running in the cylinders are coupled by means of a common spindle driven by an electric motor.
  • the electric motor has a stator winding and an armature, which are arranged in the interior of a motor housing.
  • this compressor is only suitable for compressing small quantities of non-hazardous gases with a high compression ratio, e.g. in laboratories.
  • the object of the invention is to provide a compressor with simple structural means that is suitable for compressing different gases, including hazardous gases.
  • the invention solves this problem with a compressor having the features of claim 1.
  • the compressor is used to compress gases and has at least two (first) cylinders, in each of which a piston is guided.
  • the compressor is characterized in that the pistons are coupled to one another by means of a threaded spindle, with a tubular body being arranged between the cylinders and delimiting an interior space to the outside.
  • the threaded spindle is arranged in the interior and can be driven by a rotor of an electric motor arranged in the interior.
  • the stator of the electric motor is arranged outside of the interior.
  • the stator (arranged outside the interior) acts in particular purely via the electric field (without mechanical coupling) on the rotor (arranged inside the interior).
  • the stator and rotor interact in such a way that the rotor can be driven in rotation by the stator.
  • the rotor is in particular rotatably mounted within the tubular body and secured axially in the tubular body. Apart from any play that may be present, the rotor preferably cannot move along the central longitudinal direction.
  • the rotor can be mounted, for example, via one or more roller bearings supported on the tubular body.
  • the rotor and/or the roller bearing can be secured axially, for example, by means of retaining rings that engage in the tubular body.
  • the tubular body is a tubular body.
  • the tubular body has an essentially constant, preferably constant, outer diameter and an essentially constant, preferably constant, inner diameter.
  • the interior, which the tubular body delimits to the outside, has an essentially circular-cylindrical shape.
  • the tubular body and the cylinders can optionally be designed in one piece or in multiple pieces, for example with an inner tube and an outer tube.
  • the outer diameter of the outer tube can have a substantially constant, preferably constant, outer diameter.
  • the inner tube can have an essentially constant, preferably constant, inner diameter.
  • the inner diameter of the outer tube and the outer diameter of the inner tube correspond to one another, that is to say they are in contact with one another at least in sections. In doing so, am
  • the inner diameter of the outer tube and the outer diameter of the inner tube can be provided with a plurality of tube sections, each with a different diameter, with the relevant sections on the outer tube and on the inner tube being able to bear against one another.
  • the compressor is in particular a volumetric compressor, for example a piston compressor. Its compression volume is formed from one or more cylindrical walls (e.g. tubular cross-section) and one or more pistons moving therein.
  • the piston can move translationally in its cylinder (linear piston compressor).
  • the compressor can be designed as a one-sided or double-acting compressor.
  • the compressor can be designed in a structurally simple manner, for example with comparatively few valves.
  • each piston stroke represents a working stroke.
  • the piston fits (positively) into its cylinder, ie the cross section (external cross section) of the piston and the cross section of the cylinder (cylinder bore cross section) are adapted to each other.
  • Cylinder and piston can have a round, oval, polygonal cross-section or the like.
  • a cylinder and a piston running within it form a compression chamber.
  • the compressor can have multiple compression chambers.
  • the piston rod and/or the piston move in a translatory manner, in particular along their central longitudinal direction.
  • the piston in the cylinder can perform an oscillating movement.
  • the piston rod can be connected to the piston, for example screwed to the piston.
  • the electric motor can be connected to the controller by means of a wireless or wired connection.
  • the piston speed can be changed and the point or points of reversal of the piston movement can be specified (drive parameters).
  • drive parameters can be configured, for example a computer, a smartphone, a tablet computer or other remote connections. This means that the drive parameters can be adjusted manually or with the aid of software.
  • one or more sensors can be provided on or in the compressor, for example at a compressor inlet, which are connected wirelessly or by wire to the controller.
  • State variables temperature, pressure, humidity, type of gas or gas composition
  • the drive parameters can be configured automatically by means of the controller, for example the piston speed can be reduced in the case of moist gases.
  • the pressure prevailing in the interior of the tubular body is regularly lower than the compression pressure in the cylinders.
  • ambient pressure would prevail in the interior; due to the leakage originating from the cylinders, the pressure in the interior of the tubular body is generally higher than the ambient pressure, particularly when the compressor is in operation.
  • the rotor can have an axial passage through which the threaded spindle extends, with the threaded spindle being non-rotatably connected connected to the rotor.
  • the threaded spindle and the rotor are coupled in a non-rotatable manner in a simple manner. If the rotor is driven to rotate, the threaded spindle also rotates.
  • the pistons can each be connected to a piston rod which has a spindle nut at its end facing away from the piston, which engages with the threaded spindle (internal thread of the spindle nut engages with external thread of the threaded spindle).
  • the rotary movement of the threaded spindle (driven by the rotor) can be converted into a translational movement of the piston rod and thus of the piston.
  • the piston rod can, for example, be screwed to the piston.
  • the stator can surround the rotor radially on the outside and can be arranged in a wall of the tubular body that adjoins the interior space.
  • the stator is arranged outside of the interior space, but is still very close to the rotor (small radial distance between the inner radius of the stator and the outer radius of the rotor). It is conceivable that the stator forms a section of the wall of the tubular body that adjoins the interior space.
  • the stator can have iron and/or copper and optionally potting compound, for example a plastic resin.
  • the hermetic separation of the stator from the interior can be produced, for example, by means of the casting compound.
  • the stator can be supported radially from the outside by a support element, for example by an outer tube of the tubular body.
  • the stator is thus mounted in a comparatively stable manner in the wall of the tubular body. If necessary, the stator can absorb the pressure prevailing in the interior of the tubular body.
  • a controller for controlling the electric motor can be provided, with the controller being set up such that the (average and/or maximum) piston speed and the starting position and/or end position of the pistons in their cylinders can be varied.
  • a variable volume flow control or flow rate can be achieved.
  • the piston movement is therefore not a movement predetermined by forced coupling, but can be adjusted if necessary.
  • the electric motor can be stopped and/or reversed in the direction of rotation before the piston or pistons reach a reversal point.
  • two further cylinders can be provided, in each of which a (further) piston is guided, the pistons being coupled by means of a common piston rod, with a further electric motor being provided by means of which the common piston rod can be driven.
  • Two further cylinders are thus available, by means of which a gas supplied to the compressor or the further cylinder can be compressed, with the pistons being driven together.
  • the two pistons move in a drive in the same direction. Compression takes place in the opposite direction, ie if one of the other pistons compresses, the second other piston can suck in.
  • the common piston rod can expediently be designed as a toothed rack, at least in sections, with the motor shaft of the further electric motor carrying a drive pinion which meshes with the toothed rack.
  • the common piston rod can thus be driven by the electric motor with simple structural means.
  • the ratio between the drive pinion and the rack can be adjusted by replacing the drive pinion.
  • the additional electric motor can be connected wirelessly or by wire to the controller and controlled by the controller, or an additional controller can be provided to control the additional electric motor, with the controller or the additional controller being set up in such a way that the (Medium and/or maximum) piston speed and the initial position and/or end position of the (additional) pistons in the additional cylinders can each be varied. This allows the drive to be parameterized with regard to the speed profile and compression ratio, so that the piston movement in the other cylinders can also be adjusted.
  • one of the cylinders and one of the other cylinders can each be combined to form a compressor block.
  • This contributes to a compact and material-saving design, since structures or components of the compressor block can be shared by the cylinders arranged together in a compressor block.
  • the cylinder and the other cylinder of a compressor block can be connected in series. With this, a higher compression of a gas can be achieved than if this gas is fed to only one cylinder for compression.
  • the outlet of the additional cylinder and the inlet of a first cylinder can be flow-connected to one another.
  • the gas is first compressed in the second cylinder and then in the first cylinder of the compressor block.
  • a "gentle compression" can take place individually on the first cylinder (reduced acceleration or speed of the piston).
  • reverse cascading is also conceivable.
  • the outlet of the cylinder of a compressor block can be flow-connected to the inlet of the other cylinder in this compressor block.
  • FIG. 12 shows a compressor for compressing gases, indicated in its entirety by the reference numeral 10.
  • the compressor 10 has two compressor blocks 80, 82 (cf. Fig.1 ), in each of which a first cylinder 12, 14 and a further cylinder 62, 64 are arranged (cf. Fig.3 ).
  • the compressor blocks 80, 82 each have a cylinder head 84, 86, in which an inlet valve 88 and an outlet valve 90 are arranged for each cylinder 12, 14, 62, 64 (cf. Fig.4 ).
  • each compressor block 80, 82 has cooling channels 92, 94 through which a cooling medium can flow to cool the cylinders 12, 14, 62, 64 (cf. Fig.3 ).
  • the cooling channels 92, 94 each have an entry 96 and an exit 98 (each shown with a closure plate 100 in the figures).
  • the drive components for driving the pistons revolving in the cylinders 12,14,62,64, to be described below, are located between the compressor blocks 80,82.
  • the compressor blocks 80, 82 and the drive components arranged between them can be enclosed by means of a housing (compressor housing) (not shown).
  • the compressor 10 in the example has two first cylinders 12, 14, in each of which a piston 16, 18 is guided (cf. Fig.2 and 3 ).
  • the pistons 16, 18 are coupled to one another by means of a threaded spindle 20.
  • a tubular body 22 is arranged between the cylinders 12, 14 and delimits an interior space 24 to the outside.
  • the tubular body 22 has a constant outer diameter.
  • the threaded spindle 20 is arranged in the interior 24 and can be driven by a rotor 32 of an electric motor 30 arranged in the interior 24 .
  • the stator 34 of the electric motor 30 is arranged outside of the interior space 24 .
  • the interior 24 has a circular-cylindrical shape in the example.
  • the rotor 32 has an axial passage 36 (cf. Fig.2 ), through which the threaded spindle 20 extends, the threaded spindle 20 being non-rotatably connected to the rotor 32 . If the rotor 32 is driven in rotation, the threaded spindle 20 rotates with it.
  • the rotor 32 is rotatably mounted on the tubular body 22 by means of roller bearings 35, in particular on a wall 48 of the tubular body 22 (cf. Fig.2 ).
  • the pistons 16, 18 are each connected to a piston rod 40, 42 (cf. Fig.2 and 3 ), which has a spindle nut 44, 46 at its end remote from the piston 16, 18, which engages with the threaded spindle 20.
  • An internal thread of the spindle nuts 44 , 46 is in each case engaged with an external thread of the threaded spindle 20 .
  • the rotational movement of the threaded spindle 20 can thus be converted into a translational movement of the piston rods 40, 42 and thus the pistons 16, 18.
  • the stator 34 surrounds the rotor 32 radially on the outside and is arranged in a wall 48 of the tubular body 22 adjoining the interior space 24 (cf. Fig.2 and 3 ).
  • the stator 34 and the wall 48 can form an inner tube of the tubular body 22 .
  • the stator 34 is supported radially from the outside by a support element 50 (cf. Fig.2 and 3 ).
  • the support element 50 is designed as an outer tube 50 of the tubular body 22 .
  • the outer tube 50 can optionally have a section 51 that is raised radially inward (outer tube 50 with a plurality of sections, each with a different diameter).
  • a controller 60 is provided for controlling the electric motor 30, the controller 60 being set up in such a way that the piston speed and the initial position and/or end position of the pistons 16, 18 in their cylinders 12, 14 can be varied in each case.
  • the electric motor 30 is connected to the controller 60 by means of a control and/or signal line 31 .
  • the compressor 10 has two further cylinders 62, 64, in each of which a (further) piston 66, 68 is guided (cf. Fig.3 ).
  • the pistons 66, 68 are coupled by means of a common piston rod 70, a further electric motor 72 being provided, by means of which the common piston rod 70 can be driven.
  • the pistons 66, 68 are each arranged at the ends of the common piston rod 70 and fastened thereto, for example screwed to the piston rod 70 by means of a screw.
  • the two pistons 66, 68 move in the same direction when the piston rod 70 is driven. Compression occurs in opposite directions, i.e. when one of the pistons 66, 68 in the cylinder 62, 64 compresses gas, the other of the pistons 66, 68 can suck gas into the cylinder 62, 64.
  • the common piston rod 70 is designed at least in sections as a toothed rack 74 , the motor shaft of the further electric motor 72 carrying a drive pinion 76 which meshes with the toothed rack 74 .
  • the piston rod 70 and the pistons 66, 68 can be moved translationally via the drive pinion 76 and the toothed rack 74.
  • the further electric motor 72 is wired to the controller 60 by means of a further control and/or signal line 33 and is controlled by the controller 60 (cf. Fig.3 ).
  • the controller 60 is set up in such a way that the piston speed and the starting position and/or end position of the pistons 66, 68 in the other cylinders 62, 64 can be varied in each case. This allows the drive of the pistons 66, 68 to be parameterized with regard to the speed profile and compression ratio, so that the piston movement in the other cylinders 62, 64 can also be adjusted.
  • the cylinder 12, 14 and the other cylinder 62, 64 of a compressor block 80, 82 can be connected in series (not shown).
  • the output of the additional cylinder 62, 64 and the input of a first cylinder 12, 14 can be flow-connected to one another, such as explained above.
  • a reverse connection in series is also conceivable.
  • the outlet of the cylinder 12, 14 of a compressor block 80, 82 can be flow-connected to the inlet of the other cylinder 62, 64 in this compressor block 80, 82.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kompressor (10) zum Komprimieren von Gasen, mit mindestens zwei Zylindern (12, 14), in denen jeweils ein Kolben (16, 18) geführt ist, wobei die Kolben (16, 18) mittels einer Gewindespindel (20) miteinander gekoppelt sind, wobei zwischen den Zylindern (12, 14) ein Rohrkörper (22) angeordnet ist, der einen Innenraum (24) nach außen hin begrenzt, wobei die Gewindespindel (20) im Innenraum (24) angeordnet ist und durch einen im Innenraum (24) angeordneten Rotor (32) eines Elektromotors (30) antreibbar ist, und wobei der Stator (34) des Elektromotors (30) außerhalb des Innenraums (24) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kompressor zum Komprimieren von Gasen mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
  • Kompressoren zum Komprimieren von Gasen sind aus dem Stand der Technik bekannt, bspw. in Form von in Werkstätten oder von Heimwerkern eingesetzten Kompressoren. Derartige Kompressoren weisen einen Zylinder auf, in dem ein Kolben geführt ist, der in der Regel über einen Kurbeltrieb angetrieben wird. Die Rotation der Kurbelwelle wird in eine translatorische Bewegung umgewandelt und der Kolben wird sinusförmig beschleunigt bzw. abgebremst. Die Kurbelwelle kann bspw. durch einen Elektromotor angetrieben werden. Dadurch kann im Zylinder ein angesaugtes Gas mittels des Kolbens komprimiert und bspw. einem Speicherkessel zugeführt werden, z.B. zur Bereitstellung von Druckluft. Bei dieser Bauweise ist nachteilig, dass die Kolbenbewegung im Zylinder konstruktiv bedingt ist und nicht verändert werden kann. Auch das Kompressionsverhältnis ist fest vorgegeben. Eine Anpassung des Kompressors auf einen anderen Einsatzzweck, bspw. durch eine andere Fördermenge oder ein anderes Kompressionsverhältnis, ist jedenfalls ohne konstruktive Änderungen am Kurbeltrieb bzw. an Kolben und Zylinder nicht möglich.
  • Ein weiterer Kompressor ist aus DE 31 42 950 A1 bekannt. Dieser Kompressor weist zwei Zylinder auf, die zum Erhalt einer möglichst hohen Kompression hintereinandergeschaltet sind. Die beiden in den Zylindern laufenden Kolben sind mittels einer gemeinsamen Spindel gekoppelt, die durch einen Elektromotor angetrieben wird. Der Elektromotor weist eine Statorwicklung und einen Anker auf, die im Innenraum eines Motorgehäuses angeordnet sind. Allerdings eignet sich dieser Kompressor nur zur Kompression von geringen Gasmengen nicht gefährlicher Gase mit hohem Verdichtungsverhältnis, bspw. in Laboratorien.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Mitteln einen Kompressor bereitzustellen, der zur Kompression von unterschiedlichen Gasen, auch von gefährlichen Gasen, geeignet ist.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Kompressor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Kompressor dient zum Komprimieren von Gasen und weist mindestens zwei (erste) Zylinder auf, in denen jeweils ein Kolben geführt ist. Der Kompressor zeichnet sich dadurch aus, dass die Kolben mittels einer Gewindespindel miteinander gekoppelt sind, wobei zwischen den Zylindern ein Rohrkörper angeordnet ist, der einen Innenraum nach außen hin begrenzt. Die Gewindespindel ist in dem Innenraum angeordnet und durch einen im Innenraum angeordneten Rotor eines Elektromotors antreibbar. Der Stator des Elektromotors ist außerhalb des Innenraums angeordnet.
  • Auf diese Weist ist eine hermetisch dichte Ausgestaltung geschaffen, da der Rohrkörper die Zylinder hermetisch dicht miteinander verbindet. Auch Stator und Rotor sind hermetisch voneinander getrennt. Neben einer Förderung ungefährlicher Gase, z.B. von Druckluft, ist auch eine Förderung giftiger oder gesundheitsgefährdender Gase möglich, die mit Viren und/oder Bakterien versetzt sind. Am Zylinder durch Leckage austretendes Gas kann im Innenraum des Rohrkörpers aufgefangen werden. Dies erhöht die Sicherheit bei der Kompression von Gasen ganz erheblich.
  • Der (außerhalb des Innenraums angeordnete) Stator wirkt insbesondere rein über das elektrische Feld (ohne mechanische Kopplung) auf den (innerhalb des Innenraums angeordneten) Rotor. Stator und Rotor wirken derart zusammen, dass der Rotor durch den Stator drehend angetrieben werden kann.
  • Der Rotor ist innerhalb des Rohrkörpers insbesondere drehbar gelagert und im Rohrkörper axial gesichert. Der Rotor kann sich, abgesehen von ggf. vorhandenem Spiel, entlang der Mittellängsrichtung vorzugsweise nicht bewegen. Eine Lagerung des Rotors kann bspw. über ein oder mehrere sich am Rohrkörper abstützende Wälzlager erfolgen. Eine axiale Sicherung des Rotors und/oder der Wälzlager kann bspw. über Sicherungsringe erfolgen, die in den Rohrkörper eingreifen.
  • Der Rohrkörper ist ein rohrförmig ausgebildeter Körper. Der Rohrkörper weist einen im Wesentlichen gleichbleibenden, vorzugsweise konstanten, Außendurchmesser und einen im Wesentlichen gleichbleibenden, vorzugsweise konstanten, Innendurchmesser auf. Der Innenraum, den der Rohrkörper nach außen hin begrenzt, weist eine im Wesentliche kreiszylindrische Form auf.
  • Der Rohrkörper und die Zylinder können optional einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, bspw. mit einem Innenrohr und einem Außenrohr. Ist der Rohrkörper mit einem Innenrohr und einem Außenrohr ausgebildet, kann der Außendurchmesser des Außenrohrs einen im Wesentlichen gleichbleibenden, vorzugsweise konstanten, Außendurchmesser aufweisen. Das Innenrohr kann einen im Wesentlichen gleichbleibenden, vorzugsweise konstanten, Innendurchmesser aufweisen. Der Innendurchmesser des Außenrohrs und der Außendurchmesser des Innenrohrs korrespondieren miteinander, liegen also zumindest abschnittsweise aneinander an. Dabei können am Innendurchmesser des Außenrohrs und am Außendurchmesser des Innenrohrs jeweils mehrere Rohrabschnitte mit jeweils unterschiedlichem Durchmesser vorgesehen sein, wobei die betreffenden Abschnitte am Außenrohr und am Innenrohr aneinander anliegen können.
  • Bei dem Kompressor handelt es sich insbesondere um einen volumetrischen Verdichter, bspw. um einen Kolbenverdichter. Dessen Kompressionsvolumen wird gebildet aus einer oder mehreren zylindrischen Wänden (bspw. rohrförmiger Querschnitt) und einem oder mehreren sich darin bewegenden Kolben. Der Kolben kann sich translatorisch in seinem Zylinder bewegen (Linearkolbenkompressor).
  • Der Kompressor kann als einseitig oder beidseitig wirkender Kompressor ausgebildet sein. Bei einseitig wirkender Ausführung kann der Kompressor konstruktiv einfach ausgestaltet werden, bspw. mit vergleichsweise wenigen Ventilen. Bei doppeltwirkender Ausführung stellt jeder Kolbenhub einen Arbeitshub dar.
  • Der Kolben passt (formschlüssig) in seinen Zylinder, d.h. der Querschnitt (Außenquerschnitt) des Kolbens und der Querschnitt des Zylinders (Zylinderbohrungsquerschnitt) sind aneinander angepasst. Zylinder und Kolben können einen runden, ovalen, mehrkantigen Querschnitt oder dergleichen aufweisen. Ein Zylinder und ein darin laufender Kolben bilden eine Kompressionskammer. Wie bereits angedeutet, kann der Kompressor mehrere Kompressionskammern aufweisen.
  • Die Kolbenstange und/oder der Kolben bewegen sich translatorisch, insbesondere entlang ihrer Mittellängsrichtung. Bei entsprechender Ansteuerung des oder der Elektromotoren durch eine hierfür vorgesehene Steuerung kann der Kolben im Zylinder eine oszillierende Bewegung durchführen. Unabhängig davon kann die Kolbenstange mit dem Kolben verbunden, bspw. mit dem Kolben verschraubt sein.
  • Der Elektromotor kann mittels einer drahtlosen oder drahtgebundenen Verbindung mit der Steuerung verbunden sein. Durch Ansteuerung des Elektromotors kann die Kolbengeschwindigkeit verändert und der oder die Umkehrpunkte der Kolbenbewegung vorgegeben werden (Antriebsparameter). Es ist denkbar, dass die Steuerung eine drahtlose oder drahtgebundene Schnittstelle aufweist, über die die Steuerung mittels einer Konfigurationseinrichtung verbindbar ist, mittels der die Antriebsparameter konfiguriert werden können, bspw. einem Computer, einem Smartphone, einem Tablet-Computer oder anderen Remote-Verbindungen. Somit kann eine manuelle oder softwaregestützte Anpassung der Antriebsparameter erfolgen.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu können am oder im Kompressor, bspw. an einem Kompressoreingang, ein oder mehrere Sensoren vorgesehen sein, die drahtlos oder drahtgebunden mit der Steuerung verbunden sind. Mittels der Sensoren können Zustandsgrößen (Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Gasart- oder Gaszusammensetzung) von dem Kompressor zugeführten und zu komprimierenden Gasen erfasst werden, wie weiter unten noch erläutert. Dadurch kann mittels der Steuerung eine selbsttätige Konfiguration der Antriebsparameter erfolgen, bspw. kann die Kolbengeschwindigkeit bei feuchten Gasen reduziert werden.
  • Im Betrieb des Kompressors erfolgt eine Kompression dadurch, dass sich der Kolben im Zylinder derart bewegt, dass das Zylindervolumen (an einer Kolbenseite) kleiner wird. Durch das kleinere Volumen steigt im Zylinder der Gasdruck so lange, bis ein oder mehrere am Zylinder vorgesehene Auslassventile öffnen und das komprimierte Gas aus dem Zylinder ausströmt. Wird der Kolben im Zylinder in die andere Richtung bewegt (Gegenbewegung), vergrößert sich das Zylindervolumen (an der betreffenden Kolbenseite) wieder. Der Druck im Zylinder sinkt, wobei ein oder mehrere Einlassventile öffnen, so dass frisches Gas in den Zylinder (Kompressionsraum) einströmt. Dieses Gas kann bei sich umkehrender Kolbenbewegung wieder komprimiert werden.
  • Der im Innenraum des Rohrkörpers herrschende Druck ist regelmäßig geringer als der Kompressionsdruck in den Zylindern. Im Innenraum würde theoretisch Umgebungsdruck herrschen, bedingt durch die von den Zylindern ausgehende Leckage ist der Druck im Innenraum des Rohrkörpers insbesondere im Betrieb des Kompressors in der Regel höher als der Umgebungsdruck.
  • In vorteilhafter Weise kann der Rotor einen axialen Durchgang aufweisen, durch den sich die Gewindespindel hindurch erstreckt, wobei die Gewindespindel drehfest mit dem Rotor verbunden ist. Dadurch sind Gewindespindel und Rotor auf einfache Weise drehfest gekoppelt. Wird der Rotor drehend angetrieben, dreht sich auch die Gewindespindel.
  • In zweckmäßiger Weise können die Kolben jeweils mit einer Kolbenstange verbunden sein, die an ihrem vom Kolben abgewandten Ende jeweils eine Spindelmutter aufweist, die mit der Gewindespindel in Eingriff ist (Innengewinde der Spindelmutter ist mit Außengewinde der Gewindespindel in Eingriff). Dadurch kann die Drehbewegung der (durch den Rotor angetriebenen) Gewindespindel in eine translatorische Bewegung der Kolbenstange und damit des Kolbens umgewandelt werden. Bei Rotation der Gewindespindel drehen sich Kolbenstange und Kolben nicht mit. Die Kolbenstange kann bspw. mit Kolben verschraubt sein.
  • Im Konkreten kann der Stator den Rotor nach radial außen umgeben und in einer an den Innenraum angrenzenden Wandung des Rohrkörpers angeordnet sein. Somit ist der Stator außerhalb des Innenraums angeordnet, befindet sich aber dennoch recht nahe am Rotor (radialer Abstand zwischen Statorinnenradius und Rotoraussenradius gering). Es ist denkbar, dass der Stator einen Abschnitt der an den Innenraum angrenzenden Wandung des Rohrkörpers bildet. Der Stator kann Eisen und/oder Kupfer und optional Vergussmasse aufweisen, bspw. ein Kunststoffharz. Die hermetische Trennung des Stators zum Innenraum kann bspw. mittels der Vergussmasse hergestellt werden.
  • Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Stator von radial außen durch ein Abstützelement, bspw. durch ein Außenrohr des Rohrkörpers, abgestützt werden. Somit ist der Stator vergleichsweise stabil in der Wandung des Rohrkörpers gelagert. Ggf. kann der Stator den im Innenraum des Rohrkörpers herrschenden Druck aufnehmen.
  • Wie zuvor bereits angedeutet, kann eine Steuerung zum Steuern des Elektromotors vorgesehen sein, wobei die Steuerung derart eingerichtet ist, dass die (mittlere und/oder maximale) Kolbengeschwindigkeit und die Anfangsposition und/oder Endposition der Kolben in deren Zylinder jeweils variierbar ist. Dadurch kann eine variable Volumenstromkontrolle bzw. Fördermenge erreicht werden. Die Kolbenbewegung ist somit keine durch Zwangskopplung vorgegebene Bewegung, sondern kann bei Bedarf angepasst werden. So kann der Elektromotor bspw. gestoppt und/oder in der Drehrichtung umgekehrt werden, bevor der oder die Kolben einen Umkehrpunkt erreichen.
  • In vorteilhafter Weise können zwei weitere Zylinder (zweite Zylinder) vorgesehen sein, in denen jeweils ein (weiterer) Kolben geführt ist, wobei die Kolben mittels einer gemeinsamen Kolbenstange gekoppelt sind, wobei ein weiterer Elektromotor vorgesehen ist, mittels dem die gemeinsame Kolbenstange antreibbar ist. Somit stehen zwei weitere Zylinder zur Verfügung, mittels denen ein dem Kompressor bzw. den weiteren Zylinder zugeführtes Gas komprimiert werden kann, wobei die Kolben gemeinsam angetrieben werden. Die beiden Kolben bewegen sich bei einem Antrieb in die gleiche Richtung. Eine Kompression erfolgt dabei gegenläufig, d.h. wenn einer der weiteren Kolben komprimiert, kann der zweite weitere Kolben ansaugen.
  • In zweckmäßiger Weise kann die gemeinsame Kolbenstange zumindest abschnittsweise als Zahnstange ausgebildet sein, wobei die Motorwelle des weiteren Elektromotors ein Antriebsritzel trägt, welches mit der Zahnstange kämmt. Somit ist die gemeinsame Kolbenstange mit einfachen konstruktiven Mitteln durch den Elektromotor antreibbar. Durch Austausch des Antriebsritzels kann die Übersetzung zwischen Antriebsritzel und Zahnstange angepasst werden.
  • Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann der weitere Elektromotor drahtlos oder drahtgebunden mit der Steuerung verbunden sein und mittels der Steuerung gesteuert werden oder es kann eine weitere Steuerung zum Steuern des weiteren Elektromotors vorgesehen sein, wobei die Steuerung oder die weitere Steuerung derart eingerichtet ist, dass die (mittlere und/oder maximale) Kolbengeschwindigkeit und die Anfangsposition und/oder Endposition der (weiteren) Kolben in den weiteren Zylindern jeweils variierbar ist. Hiermit kann eine Parametrierung des Antriebs bezüglich Geschwindigkeitsprofil und Kompressionsverhältnis erfolgen, so dass auch die Kolbenbewegung in den weiteren Zylindern angepasst werden kann.
  • In vorteilhafter Weise können einer der Zylinder und einer der weiteren Zylinder jeweils zu einem Kompressorblock zusammengefasst sein. Dies trägt zu einer kompakten und materialsparenden Bauweise bei, da Strukturen oder Komponenten des Kompressorblocks durch die gemeinsam in einem Kompressorblock angeordneten Zylinder gemeinsam genutzt werden können.
  • In zweckmäßiger Weise können der Zylinder und der weitere Zylinder eines Kompressorblocks hintereinandergeschaltet sein. Hiermit kann eine höhere Kompression eines Gases erreicht werden als wenn dieses Gas zur Kompression nur einem Zylinder zugeführt wird. So können der Ausgang des weiteren Zylinders und der Eingang eines ersten Zylinders miteinander strömungsverbunden sein. Somit wird das Gas zunächst im weiteren Zylinder komprimiert und danach im ersten Zylinders des Kompressorblocks. Am ersten Zylinder kann individuell bspw. eine "sanfte Kompression" erfolgen (reduzierte Beschleunigung oder Geschwindigkeit des Kolbens). Auch eine umgekehrte Hintereinanderschaltung ist grundsätzlich denkbar. So kann der Ausgang des Zylinders eines Kompressorblocks mit Eingang des weiteren Zylinders in diesem Kompressorblock strömungsverbunden sein.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert, wobei gleiche oder funktional gleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind, ggf. jedoch lediglich einmal. Es zeigen:
    • Fig.1
    eine Ausführungsform des Kompressors zum Komprimieren von Gasen in einer Draufsicht;
    Fig.2
    den Kompressor aus Figur 1 in einer Schnittansicht gemäß der in Figur 1 eingezeichneten Schnittebene II-II;
    Fig.3
    den Kompressor aus Figur 1 in einer Schnittansicht gemäß der in Figur 2 eingezeichneten Schnittebene III-III; und
    Fig.4
    den Kompressor aus Figur 1 in einer Stirnansicht gemäß dem in Figur 3 eingezeichneten Pfeil IV.
  • Figur 1 zeigt einen Kompressor zum Komprimieren von Gasen, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Im Beispiel weist der Kompressor 10 zwei Kompressorblöcke 80, 82 auf (vgl. Fig.1), in denen jeweils ein erster Zylinder 12, 14 und ein weiterer Zylinder 62, 64 angeordnet sind (vgl. Fig.3).
  • Die Kompressorblöcke 80, 82 weisen jeweils einen Zylinderkopf 84, 86 auf, in denen für jeden Zylinder 12, 14, 62, 64 jeweils ein Einlassventil 88 und ein Auslassventil 90 angeordnet sind (vgl. Fig.4). Zudem sind in jedem Kompressorblock 80, 82 Kühlkanäle 92, 94 ausgebildet, die zur Kühlung der Zylinder 12, 14, 62, 64 mittels eines Kühlmediums durchströmt werden können (vgl. Fig.3). Die Kühlkanäle 92, 94 weisen jeweils einen Zugang 96 und einen Ausgang 98 auf (in den Figuren jeweils mit Verschlussplatte 100 dargestellt).
  • Die Antriebskomponenten zum Antrieb der in den Zylindern 12, 14, 62, 64 laufenden Kolben, die nachfolgend beschrieben werden, sind zwischen den Kompressorblöcken 80, 82 angeordnet. Die Kompressorblöcke 80, 82 und die dazwischen angeordneten Antriebskomponenten können mittels eines Gehäuses (Kompressorgehäuse) eingefasst sein (nicht dargestellt).
  • Wie bereits angedeutet, weist der Kompressor 10 im Beispiel zwei erste Zylinder 12, 14 auf, in denen jeweils ein Kolben 16, 18 geführt ist (vgl. Fig.2 und 3). Die Kolben 16, 18 sind mittels einer Gewindespindel 20 miteinander gekoppelt. Zwischen den Zylindern 12, 14 ist ein Rohrkörper 22 angeordnet, der einen Innenraum 24 nach außen hin begrenzt. Im Beispiel weist der Rohrkörper 22 einen konstanten Außendurchmesser auf. Die Gewindespindel 20 ist im Innenraum 24 angeordnet und kann durch einen im Innenraum 24 angeordneten Rotor 32 eines Elektromotors 30 angetrieben werden. Der Stator 34 des Elektromotors 30 ist außerhalb des Innenraums 24 angeordnet. Der Innenraum 24 weist im Beispiel eine kreiszylindrische Form auf.
  • Im Beispiel weist der Rotor 32 einen axialen Durchgang 36 auf (vgl. Fig.2), durch den sich die Gewindespindel 20 hindurch erstreckt, wobei die Gewindespindel 20 drehfest mit dem Rotor 32 verbunden ist. Wird der Rotor 32 drehend angetrieben, dreht sich die Gewindespindel 20 mit. Der Rotor 32 ist mittels Wälzlagern 35 drehbar am Rohrkörper 22 gelagert, insbesondere an einer Wandung 48 des Rohrkörpers 22 (vgl. Fig.2).
  • Die Kolben 16, 18 sind im Beispiel jeweils mit einer Kolbenstange 40, 42 verbunden (vgl. Fig.2 und 3), die an ihrem vom Kolben 16, 18 abgewandten Ende jeweils eine Spindelmutter 44, 46 aufweist, die mit der Gewindespindel 20 in Eingriff ist. Dabei ist jeweils ein Innengewinde der Spindelmuttern 44, 46 mit einem Außengewinde der Gewindespindel 20 in Eingriff. Die Drehbewegung der Gewindespindel 20 kann somit in eine translatorische Bewegung der Kolbenstangen 40, 42 und damit der Kolben 16, 18 umgewandelt werden.
  • Der Stator 34 umgibt den Rotor 32 nach radial außen und ist in einer an den Innenraum 24 angrenzenden Wandung 48 des Rohrkörpers 22 angeordnet (vgl. Fig.2 und 3). Der Stator 34 und die Wandung 48 können ein Innenrohr des Rohrkörpers 22 ausbilden.
  • Im Beispiel wird der Stator 34 von radial außen durch ein Abstützelement 50 abgestützt (vgl. Fig.2 und 3). Das Abstützelement 50 ist im Beispiel als ein Außenrohr 50 des Rohrkörpers 22 ausgebildet. Das Außenrohr 50 kann in einem axial mit dem Stator 34 überlappenden Abschnitt optional einen nach radial innen erhabenen Abschnitt 51 aufweisen (Außenrohr 50 mit mehreren Abschnitten mit jeweils unterschiedlichem Durchmesser).
  • Es ist eine Steuerung 60 zum Steuern des Elektromotors 30 vorgesehen, wobei die Steuerung 60 derart eingerichtet ist, dass die Kolbengeschwindigkeit und die Anfangsposition und/oder Endposition der Kolben 16, 18 in deren Zylinder 12, 14 jeweils variierbar ist. Der Elektromotor 30 ist mittels einer Steuer- und/oder Signalleitung 31 mit der Steuerung 60 verbunden.
  • Wie bereits angedeutet, weist der Kompressor 10 zwei weitere Zylinder 62, 64 auf, in denen jeweils ein (weiterer) Kolben 66, 68 geführt ist (vgl. Fig.3). Die Kolben 66, 68 sind mittels einer gemeinsamen Kolbenstange 70 gekoppelt, wobei ein weiterer Elektromotor 72 vorgesehen ist, mittels dem die gemeinsame Kolbenstange 70 antreibbar ist. Die Kolben 66, 68 sind jeweils an den Enden der gemeinsamen Kolbenstange 70 angeordnet und an dieser befestigt, bspw. mittels einer Schraube an der Kolbenstange 70 verschraubt.
  • Die beiden Kolben 66, 68 bewegen sich bei einem Antrieb der Kolbenstange 70 in die gleiche Richtung. Eine Kompression erfolgt dabei gegenläufig, d.h. wenn einer der Kolben 66, 68 im Zylinder 62, 64 Gas komprimiert, kann der andere der Kolben 66, 68 Gas in den Zylinder 62, 64 ansaugen.
  • Die gemeinsame Kolbenstange 70 ist im Beispiel zumindest abschnittsweise als Zahnstange 74 ausgebildet, wobei die Motorwelle des weiteren Elektromotors 72 ein Antriebsritzel 76 trägt, welches mit der Zahnstange 74 kämmt. Durch einen drehenden Antrieb des Elektromotors 72 können über das Antriebsritzel 76 und die Zahnstange 74 die Kolbenstange 70 und die Kolben 66, 68 translatorisch bewegt werden.
  • Im Beispiel ist der weitere Elektromotor 72 mittels einer weiteren Steuer- und/oder Signalleitung 33 drahtgebunden mit der Steuerung 60 verbunden und wird mittels der Steuerung 60 gesteuert (vgl. Fig.3). Die Steuerung 60 ist derart eingerichtet, dass die Kolbengeschwindigkeit und die Anfangsposition und/oder Endposition der Kolben 66, 68 in den weiteren Zylindern 62, 64 jeweils variierbar ist. Hiermit kann eine Parametrierung des Antriebs der Kolben 66, 68 bezüglich Geschwindigkeitsprofil und Kompressionsverhältnis erfolgen, so dass auch die Kolbenbewegung in den weiteren Zylindern 62, 64 angepasst werden kann.
  • Bedingt durch die gemeinsame Kolbenstange 70 erfolgt eine Anpassung der Bewegung der Kolben 66, 68 in den Zylindern 62, 64 gemeinsam. Wird bspw. die (untere) Endposition des Kolbens 66 im Zylinder 62 (Kolben 66 ist vom Zylinderkopf 84 weg verlagert) angepasst, wirkt sich dies auf die (obere) Anfangsposition des Kolbens 68 im Zylinder 64 aus (Kolben 68 ist zum Zylinderkopf 86 hin verlagert).
  • Es wurde oben bereits erläutert, dass einer der Zylinder 12, 14 und einer der weiteren Zylinder 62, 64 jeweils zu einem Kompressorblock 80, 82 zusammengefasst sind.
  • Der Zylinder 12, 14 und der weitere Zylinder 62, 64 eines Kompressorblocks 80, 82 können hintereinandergeschaltet sein (nicht dargestellt). Bspw. können der Ausgang des weiteren Zylinders 62, 64 und der Eingang eines ersten Zylinders 12, 14 miteinander strömungsverbunden sein, wie oben erläutert. Auch eine umgekehrte Hintereinanderschaltung ist denkbar. So kann der Ausgang des Zylinders 12, 14 eines Kompressorblocks 80, 82 mit dem Eingang des weiteren Zylinders 62, 64 in diesem Kompressorblock 80, 82 strömungsverbunden sein.

Claims (10)

  1. Kompressor (10) zum Komprimieren von Gasen, mit mindestens zwei Zylindern (12, 14), in denen jeweils ein Kolben (16, 18) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (16, 18) mittels einer Gewindespindel (20) miteinander gekoppelt sind, wobei zwischen den Zylindern (12, 14) ein Rohrkörper (22) angeordnet ist, der einen Innenraum (24) nach außen hin begrenzt, wobei die Gewindespindel (20) im Innenraum (24) angeordnet ist und durch einen im Innenraum (24) angeordneten Rotor (32) eines Elektromotors (30) antreibbar ist, wobei der Stator (34) des Elektromotors (30) außerhalb des Innenraums (24) angeordnet ist.
  2. Kompressor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (32) einen axialen Durchgang (36) aufweist, durch den sich die Gewindespindel (20) hindurch erstreckt, wobei die Gewindespindel (20) drehfest mit dem Rotor (32) verbunden ist.
  3. Kompressor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (16, 18) jeweils mit einer Kolbenstange (40, 42) verbunden sind, die an ihrem vom Kolben (16, 18) abgewandten Ende jeweils eine Spindelmutter (44, 46) aufweist, die mit der Gewindespindel (20) in Eingriff ist.
  4. Kompressor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (34) den Rotor (32) nach radial außen umgibt und in einer an den Innenraum (24) angrenzenden Wandung (48) des Rohrkörpers (22) angeordnet ist.
  5. Kompressor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (34) von radial außen durch ein Abstützelement (50), insbesondere durch ein Außenrohr (50), abgestützt wird.
  6. Kompressor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (60) zum Steuern des Elektromotors (30) vorgesehen ist, wobei die Steuerung (60) derart eingerichtet ist, dass die Kolbengeschwindigkeit und die Anfangsposition und/oder Endposition der Kolben (16, 18) in deren Zylinder (12, 14) jeweils variierbar ist.
  7. Kompressor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere Zylinder (62, 64) vorgesehen sind, in denen jeweils ein Kolben (66, 68) geführt ist, wobei die Kolben (66, 68) mittels einer gemeinsamen Kolbenstange (70) gekoppelt sind, wobei ein weiterer Elektromotor (72) vorgesehen ist, mittels dem die gemeinsame Kolbenstange (70) antreibbar ist.
  8. Kompressor (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
    dass die gemeinsame Kolbenstange (70) zumindest abschnittsweise als Zahnstange (74) ausgebildet ist, wobei die Motorwelle des weiteren Elektromotors (72) ein Antriebsritzel (76) trägt, welches mit der Zahnstange (74) kämmt.
  9. Kompressor (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Elektromotor (72) drahtlos oder drahtgebunden mit der Steuerung (60) verbunden ist und mittels der Steuerung (60) gesteuert wird oder dass eine weitere Steuerung zum Steuern des weiteren Elektromotors (72) vorgesehen ist, wobei die Steuerung (60) oder die weitere Steuerung derart eingerichtet ist, dass die Kolbengeschwindigkeit und die Anfangsposition und/oder Endposition der Kolben (66, 68) in den weiteren Zylindern (62, 64) jeweils variierbar ist.
  10. Kompressor (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Zylinder (12, 14) und einer der weiteren Zylinder (62, 64) jeweils zu einem Kompressorblock (80, 82) zusammengefasst sind und/oder dass der Zylinder (12, 14) und der weitere Zylinder (62, 64) eines Kompressorblocks (80, 82) hintereinandergeschaltet sind.
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