EP4048891A1 - Kolbenverdichter und verfahren zum betrieb desselben - Google Patents

Kolbenverdichter und verfahren zum betrieb desselben

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EP4048891A1
EP4048891A1 EP20807665.3A EP20807665A EP4048891A1 EP 4048891 A1 EP4048891 A1 EP 4048891A1 EP 20807665 A EP20807665 A EP 20807665A EP 4048891 A1 EP4048891 A1 EP 4048891A1
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EP
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piston
piston rod
cylinder
magnetic bearing
state variable
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EP20807665.3A
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Alexandre Voser
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Burckhardt Compression AG
Original Assignee
Burckhardt Compression AG
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    • F04B9/045—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being mechanical the means being cams, eccentrics or pin-and-slot mechanisms the means being eccentrics

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating compressor and a method for operating the same.
  • the document WO2014 / 139565A1 discloses a reciprocating compressor with a horizontally extending cylinder in which a piston that can move back and forth in the horizontal direction is arranged.
  • This piston compressor has the disadvantage that the guide rings and / or sealing rings arranged on the piston are subject to relatively great wear, and that the piston compressor can only be operated at a relatively low speed.
  • the document DE3805670A1 discloses a reciprocating compressor with a vertically extending cylinder, wherein the piston can be designed as a labyrinth piston or as a piston provided with captured piston rings. This piston compressor also has the disadvantage that wear can occur. .
  • the object of the invention is to design a more advantageous piston compressor which preferably has a piston that can move in a horizontal or vertical direction.
  • a piston compressor for compressing a gas comprising a cylinder, a piston, a piston rod, a packing seal, a cross head, a magnetic bearing and a drive, the piston being movably arranged in a longitudinal direction within the cylinder, the Piston is connected to the cross head via the piston rod, the packing seal being arranged between the piston and the cross head, through which the piston rod extends, the cross head being driven by the drive, the magnetic bearing being arranged between the piston and the cross head, and wherein the magnetic bearing can bring about a magnetic force on the piston rod at least perpendicular to the longitudinal direction, wherein a sensor is arranged to detect a state variable of the piston compressor, wherein the magnetic bearing is designed as a controllable magnetic bearing, and wherein a control device is applied from the magnetic bearing to the piston rod b eacting magnetic force controls depending on the state variable.
  • the cylinder particularly preferably runs essentially in the horizontal direction.
  • a piston compressor for compressing a gas comprising a cylinder running essentially in the horizontal direction and comprising a piston, a piston rod, a packing seal, a cross head and a drive, the piston being movable in a longitudinal direction within the cylinder is arranged, wherein the piston is connected to the crosshead via a piston rod, wherein a packing seal is arranged between the piston and the crosshead, through which the piston rod extends, and wherein the crosshead is driven by the drive, wherein between the piston and the crosshead
  • a controllable magnetic bearing is arranged, the Magnetic bearing can cause a magnetic force on the piston rod at least perpendicular to the longitudinal direction, and wherein a control device controls the magnetic force caused by the magnetic bearing on the piston rod.
  • the object is also achieved in particular with a method for operating a reciprocating compressor comprising a piston that is moved back and forth in a longitudinal direction within a cylinder, the piston being driven via a piston rod, and a magnetic force acting at least perpendicular to the longitudinal direction is exerted on the piston rod, a state variable of the piston compressor being detected, the magnetic force being controlled as a function of the state variable, and a force, preferably a relief force, being exerted on the piston via the piston rod.
  • the longitudinal direction particularly preferably runs essentially in the horizontal direction.
  • the object is further achieved in particular with a method for operating a reciprocating compressor comprising a piston which is moved back and forth in a longitudinal direction within a cylinder, the longitudinal direction running essentially in the horizontal direction, the piston being driven via a piston rod, wherein a controllable magnetic force acting at least perpendicular to the longitudinal direction is exerted on the piston rod and a relief force is thereby brought about on the piston via the piston rod, the magnetic force being controlled as a function of a state variable.
  • the piston compressor according to the invention for compressing a gas comprises a controllable magnetic bearing which is arranged between a piston and a cross head of the piston compressor, a piston rod connecting the piston to the cross head, the piston rod running through the magnetic magnetic bearing, and the Magnetic bearing exerts a controllable, magnetic attraction force on the piston rod at least perpendicular to the direction in which the piston rod extends.
  • the piston compressor according to the invention also comprises at least one sensor and a control device, the control device being designed to supply electromagnets arranged in the controllable magnetic bearing with electrical current or electrical power, the control device the supplied current or the supplied power depending on the measured by the sensor The value is modulated or changed in order to influence the position of the piston with respect to the cylinder, so that the piston has an advantageous position within the cylinder at least temporarily.
  • the controllable magnetic bearing is preferably designed as a radial bearing, comprising a plurality of electromagnets that are distributed in the circumferential direction and controllable by the control device.
  • the magnetic bearing could also be designed in such a way that the magnetic force only acts in one direction or in one dimension, for example by having two controllable electromagnets arranged opposite or symmetrically with respect to the piston rod, so that a magnetic force caused by these electromagnets on the piston rod only in one dimension works.
  • the piston compressor comprises at least one cylinder as well as a piston arranged to be movable back and forth within the cylinder, the cylinder interior and thus also the movement of the piston in a preferred embodiment running in the horizontal direction or essentially in the horizontal direction, such a piston compressor also is referred to as a horizontal reciprocating compressor.
  • the magnetic bearing exerts a controllable, magnetic attraction force on the piston rod at least perpendicular to the direction in which the piston rod extends, and thus preferably effects a vertically upward force on the piston rod, preferably in a direction opposite to gravity.
  • the piston that is movable in the horizontal direction comprises a so-called guide ring, which rests on the inner surface of the cylinder.
  • the attraction force exerted by the magnetic bearing on the piston rod at least in the vertical direction and / or the repulsive force exerted on the piston rod has the consequence that the bearing force of a piston supported on the inner surface of the cylinder is reduced, or that the piston or the guide ring the inner surface of the No longer touches the cylinder, so that the piston or the guide ring of the piston either only rests on the inner surface of the cylinder with a reduced contact force, and particularly advantageously moves back and forth within the cylinder without touching the inner surface of the cylinder.
  • the use of the magnetic bearing has the advantage that the bearing force of the guide ring on the inner surface and thus the wear on the guide ring is reduced, so that the guide ring has a longer service life or a longer service life until it is to be replaced.
  • the piston compressor can, if desired, be operated at a higher speed, with preferably no increased wear or no increased heating occurring.
  • the piston of the piston compressor according to the invention is particularly advantageously designed as a labyrinth piston, such a labyrinth piston, as is known per se, having a labyrinth structure on its surface which serves to seal between the piston and the inner surface of the cylinder.
  • the attractive force brought about by the magnetic bearing on the piston rod is preferably controlled in such a way that the piston moving back and forth does not touch the inner surface of the cylinder along the entire stroke.
  • the piston compression according to the invention is, however, also suitable for pistons with piston rings and, if necessary, additionally having guide rings.
  • the cylinder interior and thus also the movement of the piston run in the vertical direction or essentially in the vertical direction.
  • the magnetic bearing exerts a controllable, magnetic attraction force on the piston rod at least perpendicular to the direction in which the piston rod extends, and thus exerts a force on the piston rod and the piston that extends radially or essentially radially to the piston rod.
  • the attraction force exerted by the magnetic bearing at least in the radial direction on the piston rod and / or the repulsive force exerted on the piston rod has the consequence that the contact force of a piston ring resting on the inner surface of the cylinder, and in particular a one-sided contact force, is reduced, or that the piston or its piston ring, and in particular a piston designed as a labyrinth piston, no longer touches the inner surface of the cylinder, so that the piston or the piston ring either only rests against the inner surface of the cylinder with reduced contact force, and particularly advantageously the labyrinth piston is without touching the Inner surface of the cylinder moved back and forth within the cylinder.
  • the use of the magnetic bearing has the advantage that wear on the piston ring is reduced, so that the piston compressor has a longer service life or a longer service life until it has to be serviced. There is also the option of operating the piston compressor at a higher speed. If the piston compressor has a labyrinth piston, the use of the magnetic bearing has the advantage that contact between the labyrinth piston and the inner surface of the cylinder can be avoided even better, since an eccentric arrangement of the labyrinth piston with respect to the interior of the cylinder is at least partially corrected with the aid of the magnetic bearing so that no mutual contact occurs.
  • the use of the magnetic bearing results in the additional advantage that the piston compressor can also be operated reliably with a reduced gap width between the outer surface of the labyrinth piston and the inner surface of the cylinder, without mutual contact occurring. This reduced gap width increases the Efficiency of the reciprocating compressor or reduces the loss during compression.
  • the piston compressor has at least one piston and one cylinder, and preferably a plurality of pistons and cylinders, which are preferably arranged on a common frame and which are preferably driven by a common crankshaft.
  • a piston compressor is arranged on a ship, the cylinder, the cylinder interior and thus also the movement of the piston running in the vertical direction or essentially in the vertical direction when the sea is calm.
  • a choppy or stormy sea has the consequence that the ship executes an increasing rolling or pitching movement with increasing wave height, which has the consequence that the entire piston compressor and thus in particular also the longitudinal direction of the piston rod is variable depending on the swell as a function of time, has a course deviating from the vertical by an angle beta.
  • the angle beta, and preferably the angle beta as a function of time is measured as an additional state variable.
  • a multi-stage piston compressor is used, for example, to compress exhaust gas that has collected in a liquefied gas container to a pressure of 200 to 500 bar in order to supply a gas engine or a diesel engine of the ship with fuel with the compressed gas.
  • a piston compressor arranged on a ship is preferably operated in such a way that the force exerted by the magnetic bearing on the piston rod, at least in the radial direction, is controlled as a function of the state variable and the additional state variable in such a way that the contact force of a piston ring resting on the inner surface of the cylinder, and in particular a one-sided contact force is reduced, or that the piston or its piston ring, and in particular a labyrinth piston designed piston no longer touches the inner surface of the cylinder, so that on a ship, even in swell, it is guaranteed that the piston (s) or the piston ring (s) of the piston compressor either only contact the inner surface of the cylinder with reduced contact force, and particularly advantageously the / The labyrinth pistons moved back and forth within the cylinder without touching the inner surface of the cylinder.
  • the use of the magnetic bearing results in the advantage that wear of the piston ring is reduced even when there is a swell, or that contact of the labyrinth structure of the labyrinth piston with the inner wall of the cylinder is avoided, in particular even with a small gap width between
  • the magnetic bearing is preferably controlled in such a way that the magnetic bearing exerts a damping effect on the piston rod radially to the longitudinal axis of the piston rod in order to dampen a movement of the piston rod and the piston in a radial direction to the longitudinal axis, for example to reduce the maximum amplitude of resonance vibrations or other transverse vibrations of the To reduce piston, for example caused by swell.
  • the wave movement or the additional state variable measured and derived from it represents a relatively slow process compared to the speed of the piston compressor, and the period of a wave movement of the water is slow by a factor of 10 to 1000 compared to the period of a rotation of the piston compressor, it is It is possible to calculate a short-term change in the additional state variable in advance, and to allow this value to flow into the control of the magnetic bearing by controlling the magnetic bearing with a predictive control, which the movement of the piston compressor to be expected due to the swell, for example for a point in time, for example in Range between 1 up to 50 seconds, predicts, and controls the magnetic bearing accordingly, so that when influencing or controlling the position of the piston rod or piston, the expected movement of the piston compressor caused by the swell is taken into account.
  • the piston compressor according to the invention also has the advantage that it can be operated with a higher number of revolutions or with a higher mean piston speed, since the piston or the guide ring either no longer touches the cylinder inner wall or only rests against the cylinder inner wall with a reduced contact force.
  • Such an operation at a higher speed of rotation is particularly advantageous in a piston compressor with a so-called dry-running piston, i.e. a labyrinth piston, or a piston with self-lubricating sealing rings, i.e. a piston whose piston or sealing rings are not oil-lubricated, which is also called a unlubricated piston is called.
  • the controllable magnetic bearing can either be used as a supporting bearing, by which the piston is held without touching the inner surface of the cylinder, or it can be used as a relief bearing, through which the force exerted by the piston on the inner surface of the cylinder is reduced, whereby the In this case, the piston touches the inner wall.
  • the controllable magnetic bearing can also take on a centering function in the case of a substantially vertically extending piston, by means of which the piston is centered, and preferably held without touching the inner surface of the cylinder.
  • the magnetic bearing is arranged at a predetermined location in the horizontal reciprocating compressor, whereas the position of the center of gravity of the piston changes continuously during operation due to the back and forth movement, so that during operation the length of the piston rod between the magnetic Magnetic bearings and the center of gravity of the piston formed lever arm is constantly changing.
  • a control device provided for supplying power to the magnetic bearing is therefore advantageously designed such that the magnetic force caused by the magnetic magnetic bearing on the piston rod is controlled depending on the position of the piston or depending on the length of the aforementioned lever arm.
  • at least one force acting in the vertical direction is exerted on the piston rod.
  • the magnetic bearing is particularly advantageously designed as a radial bearing which, perpendicular to the longitudinal direction of the piston rod, can exert a force controllable in two dimensions on the piston rod, preferably a force in the vertical direction and a force in the horizontal direction.
  • a radial bearing is advantageously controlled in such a way that the piston does not touch the inner surface of the cylinder in any of its possible positions during operation, neither a lower, an upper nor a lateral inner surface of the cylinder.
  • the magnetic bearing is preferably controlled as a function of a measured state variable, in particular if the piston should not touch the inner surface of the cylinder during operation, the state variable comprising at least one of the following variables: displacement path of the piston in the cylinder, displacement path of the piston rod in the direction of the piston rod, Displacement of the piston rod perpendicular to the direction of the piston rod, as well as the angle of rotation of the drive shaft.
  • the distance between the piston rod and the magnetic bearing is suitable as a state variable, at least in the vertical direction, and in particular the gap width in the magnetic bearing between the piston rod and the magnetic bearing.
  • the sensor for detecting the state variable is advantageously designed to detect at least one of the following variables: angle of inclination ⁇ of the longitudinal direction relative to the vertical, angle of inclination ⁇ as a function of time, gap width between Cylinder inner surface and piston side surface, location of a mutual contact point between piston and cylinder.
  • a reciprocating compressor usually comprises a packing seal with sealing rings, the piston rod running through this packing seal or its sealing rings in order to seal the cylinder interior from the outside.
  • the magnetic bearings are also arranged in the packing seal.
  • Such a modified packing seal comprising the magnetic bearing is particularly advantageously designed as an exchangeable part.
  • Such a modified packing seal particularly advantageously has the same mass as previously known packing seals without magnetic bearings, so that the modified packing seal comprising the magnetic bearing can be used for installation in existing reciprocating compressors in order to retrofit them and improve them in quality.
  • the modified packing seal also includes cooling channels.
  • these cooling channels are connected to a cooling circuit in order to cool the magnetic magnetic bearing and / or the packing seal.
  • FIG. 1 shows a schematically simplified longitudinal section through a piston compressor
  • 3 shows an exemplary curve of the magnetic force as a function of a state variable, namely the angle of rotation of a drive shaft; 4 shows a longitudinal section through a known packing seal;
  • FIG. 7 shows a reciprocating compressor arranged at an incline, for example on a ship with swell.
  • a piston compressor 1 for compressing a gas, comprising a cylinder 2 extending in the horizontal direction and comprising a piston 3 which is movable within the cylinder 2 in the direction of the cylinder 2 or in the longitudinal direction L.
  • the piston compressor 1 also comprises a piston rod 16, a packing seal 12, a magnetic bearing 13, a cross head 17 with a linear guide 18, a push rod 19 and a drive, for example a crank 20 with a drive shaft 21.
  • the piston 3 is designed double-acting in the illustrated embodiment and comprises sealing or piston rings 4 as well a guide ring 5, the piston 3 dividing the interior of the cylinder 2 into a first interior 6 and a second interior 7, these two interior spaces each having an inlet valve 8, 9 and an outlet valve 10, 11 each.
  • the cylinder 2 is connected to a housing 15 via an intermediate piece 14, the packing seal 12 and the magnetic bearing 13 also being arranged in the intermediate piece.
  • the magnetic bearing 13 causes a magnetic force F m on the piston rod 16 at least in the vertical direction.
  • a control device 22 detects a state variable Z of the piston compressor 1, for example the displacement s (t) of the piston in the cylinder 7, via a signal line 24 and a sensor (not shown) as a function of time, the displacement s (t) of the Piston rod 16 and / or an angle of rotation a (t) of drive shaft 21 as a function of time.
  • the control device 22 controls the current in the electromagnet of the magnetic bearing 13 and thereby the magnetic force caused by the magnets on the piston rod 16 via a signal line 25.
  • control device 22 can be operated in a control mode in which a state variable Z is measured and the magnetic force F m is changed as a function of the state variable Z. There is no need for feedback.
  • FIG. 3 shows an example of such a control mode in which the course of a curve Kl is specified, curve Kl showing the relationship between the state variable Z, in the present case the angle of rotation a of the drive shaft 21, and the magnetic force F to be generated as a function of the angle of rotation a m pretends.
  • the lever arm formed by the center of gravity S of the piston 3 and the magnetic bearing 13 is shortest, and the magnetic force F m is greatest at the top dead center because the lever arm formed by the piston rod 16 between the center of gravity S of the piston 3 and the magnetic bearing 13 is the longest is.
  • the angle of rotation ⁇ is measured with a sensor (not shown) and fed to the control device 22 via the signal line 24.
  • the curve profile K1 can be specified, for example, based on empirical values.
  • This embodiment is particularly advantageous if, as shown in Figure 1, a piston 3 having a guide ring 5 is used, the guide ring 5 resting against the inner surface of the cylinder 2, and the magnetic force F m serving as the bearing force of the guide ring 5 on the inner surface of the cylinder 2, in order to thereby in particular cause wear on the guide ring 5 to reduce.
  • the curve K shown in Figure 3 shows only the course of the magnetic force Fm as a function of the crankshaft angle a between 0 ° and 180 °.
  • a measuring device for example a sensor 26, is provided in order to measure the position of the piston rod 16 and / or the piston 3 at least in the vertical direction.
  • Figure 2 shows an embodiment which measures the position of the piston rod 16 in the vertical direction.
  • the sensor 26 is arranged close to the magnetic bearing 13 or even inside the magnetic bearing 13, the sensor 26 advantageously measuring the distance D between an upper coil core 13a of the magnetic bearing 13 and the surface of the piston rod 16.
  • the magnetic bearing 13 advantageously comprises at least one upper coil core 13a with a coil 13b and a lower coil core 13c with a coil 13d.
  • the magnetic bearing 13 can, as shown in Figure 6, also be designed as a radial magnetic bearing, with a plurality of electromagnets arranged distributed in the circumferential direction, their coils 13b, 13d preferably being individually controllable, so that by a corresponding control of the coils 13b, 13d the Direction of the magnetic force F m acting on the piston rod 16 can be determined.
  • the control device 22 is given a setpoint value for the distance D via the setpoint input 28, the control device 22 controlling the coils 13b, 13d with current via the signal line 25 in such a way that the piston rod 16 is independent of stroke s (t) or has an essentially constant, constant distance D from the crankshaft angle a (t) with respect to the upper coil core 13a.
  • the piston rod 16 acts as a magnetic armature of the two coil cores 13a, 13b.
  • the magnetic bearing 13 cause both an upward force and a downward magnetic attraction force on the piston rod 16, so that the position of the piston rod 16 relative to the magnetic bearing 13 can be controlled particularly precisely.
  • the reciprocating compressor 1 is thus advantageously operated in such a way that a controllable magnetic force F m is exerted on the piston rod 16, so that a force F m acting at least in the vertical direction, or a relief force F h , acts on the piston 3 via the piston rod 16 is effected on the piston 3, which counteracts the force of gravity F, the magnetic force F m being controlled or changed depending on a state variable Z such as the distance D, the stroke s (t) or the angle of rotation a (t).
  • the arrangement described in FIGS. 1 to 3 and the method described are also suitable for operating or controlling a piston compressor with a cylinder running in the vertical direction and a piston that is movable in the vertical direction.
  • FIG. 7 shows the piston compressor 1 shown in FIG. 1 with a cylinder 2 or cylinder interior running essentially in the vertical direction, with a piston rod 16 running essentially in the vertical direction, and with a piston 3 that is movable in this direction Piston compressor 1 arranged on a ship with a heel with a heel angle, which is why the cylinder 2 and the piston rod 16 have an angle of inclination ⁇ with respect to the vertical V.
  • the piston compressor 1 is preferably arranged in the ship in such a way that the cylinder 2 and the piston rod 16 run exactly in the vertical direction or at least approximately in the vertical direction when the sea is absolutely calm.
  • the reciprocating compressor 1 could of course also be arranged in the country, and the cylinder 2 and the piston rod 16 preferably run exactly in the vertical direction or at least approximately in the vertical direction.
  • the angle of inclination ⁇ with respect to the vertical V with a not shown Sensor 26 measured the angle of inclination ⁇ preferably being measured as a function of time t.
  • the magnetic bearing 13 is controlled via the control device 22 in such a way that a magnetic force F m is applied to the piston rod 16 and the piston rod 16 transmits a relief force F h to the piston 3, so that, due to the acting relief force F h , the Position of the piston 3 within the cylinder 2, if possible, is influenced.
  • At least one of the following variables is suitable as the state variable Z for controlling the magnetic bearing 13: angle of inclination ⁇ of the cylinder relative to the vertical V, gap width between the inner surface of the cylinder and the piston side surface, location of a point of mutual contact between piston and cylinder .
  • the magnetic bearing 13 is advantageously controlled in such a way that the mutual distance between the piston rod 16 and the magnetic bearing 13 and / or the distance between the cylinder inner surface and the piston side surface, perpendicular to the longitudinal direction L, is kept constant or essentially constant.
  • the piston 3 is preferably held in the cylinder 7 without touching the wall.
  • the angle of inclination ⁇ (t) assumed between the vertical V and the longitudinal direction L is preferably measured as a state variable Z as a function of the time t.
  • the magnetic force F m is particularly advantageously controlled by means of a predictive control.
  • the state variable Z advantageously includes the angle of inclination ⁇ (t) as a function of the time t, so that the state variable Z is dependent on the time t.
  • the state variable Z in addition to the angle of inclination ⁇ (t) as a function of time t includes at least one further state variable mentioned herein, so that such a resulting state variable consists of a combination of at least two state variables mentioned herein.
  • a resulting state variable could include the state variable Z of the movement of the piston rod perpendicular to the longitudinal direction L, and with the State variable Z of the angle of inclination ß (t) as a function of time t, so that with the help of the predictive control and knowledge of the state variable Z of the angle of inclination ß (t) as a function of time t, the angle of inclination ß (t) at time t + At caused, expected movement of the piston rod perpendicular to the longitudinal direction L can be calculated in advance, and the magnetic bearing 12 can be controlled with this predictive state variable Zv (t + At).
  • a predictive state variable Zv (t + At) is advantageously calculated from the state variable Z (t) as a function of the angle of inclination ⁇ (t) for a future point in time t + At, and the magnetic force F m at the current point in time t is calculated as a function of the anticipatory State variable Zv (t + At) controlled.
  • the piston compressor according to the invention comprising the controllable magnetic bearing is particularly advantageously used in combination with a transport ship which is used for transports across the sea.
  • the longitudinal section shown in FIG. 4 shows a packing seal 12 known per se, comprising a plurality of chamber rings 12a in which sealing rings 12b are arranged.
  • the packing seal 12 comprises a fastening part 12c, to which all chamber rings 12a are fastened in a manner not shown in detail.
  • the packing seal 12 is connected to a cylinder housing 2a of a cylinder 2 via the fastening part 12c, with a piston rod 16 running through the packing seal 12.
  • the cylinder housing 2a has a recess which corresponds to an outer contour 12d of the packing seal 12, so that the entire packing seal 12 can be inserted into this recess and, if necessary, the entire packing seal 12 can be replaced.
  • Figure 5 shows a longitudinal section through a packing seal 12 according to the invention comprising a magnetic bearing 13.
  • Figure 6 shows a section of the magnetic bearing 13, which is designed as a radial bearing and comprises eight coil cores 13a, 13c, the two opposite coil cores 13a, 13c being provided with reference numerals .
  • the coil cores 13a, 13c are wound with coils 13b, 13d.
  • the end face 13e of the coil core 13a facing the piston rod 16 is shown.
  • the packing seal 12 according to FIG. 5 comprises two chamber rings 12a in which sealing rings 12b are arranged.
  • the packing seal 12 also comprises two emergency bearings 12f, 12g, each with a bearing surface 12h, 12i.
  • the packing seal 12 also comprises a holder 12k for a sensor 26, a sensor 26 being arranged at least at the top, and a plurality of sensors 26 preferably being arranged at a distance from one another in the circumferential direction.
  • the packing seal 12 comprises a fastening part 12c, to which preferably all of the components shown in FIG. 5 are connected.
  • the packing seal 12 has an outer contour 12d. In an advantageous embodiment, the outer contour 12d of the packing seal 12 according to the invention is dimensioned similarly or identically to the known packing seal 12 shown in FIG.
  • a piston compressor 1 upgraded with the packing seal 12 according to the invention is also provided with a control device 22 so that existing piston compressor 1 can also be provided with the device according to the invention or existing piston compressor 1 can be operated with the method according to the invention.
  • the packing seal 12 according to the invention also comprises nor cooling channels 121, which run for example within the outer jacket 12e and / or within the coil cores 13a, 13c, the cooling channels forming part of a cooling circuit in order to cool the magnetic bearing 13 and / or the packing seal 12.
  • the cooling circuit is only shown schematically, with the supply lines and the discharge lines of the cooling circuit preferably being arranged to run through the fastening part 12c in such a way that the fastening part 12c has connections 12m for the cooling circuit accessible from the outside, preferably on its end face, and that the cooling circuit inside the packing seal 12 is predefined and fully configured, so that after the packing seal 12 has been installed, only the external coolant supply from the outside needs to be connected to the fastening part 12c in order to supply the cooling circuit inside the packing seal 12 with cooling liquid.
  • the connecting channels that are arranged within the emergency bearing 12g and mutually connect the cooling channels 121 in a fluid-conducting manner are not shown.
  • a piston compressor 1 comprising a piston 3 with piston or sealing rings 4 and a guide ring 5 is shown.
  • the guide ring 5 could be dispensed with.
  • the piston 3 could also be designed as a labyrinth piston, this labyrinth piston preferably not touching the inner wall of the cylinder 2.

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Abstract

Der Kolbenverdichter (1) zum Verdichten eines Gases umfasst einen Zylinder (2) und umfasst einen Kolben (3), eine Kolbenstange (16), eine Packungsdichtung (12), einen Kreuzkopf (17) sowie einen Antrieb (21), wobei der Kolben (3) in einer Längsrichtung (L) beweglich innerhalb des Zylinders (2) angeordnet ist, wobei der Kolben (3) über eine Kolbenstange (16) mit dem Kreuzkopf (17) verbunden ist, wobei zwischen dem Kolben (3) und dem Kreuzkopf (17) eine Packungsdichtung (12) angeordnet ist, durch welche die Kolbenstange (16) verläuft, und wobei der Kreuzkopf (17) durch den Antrieb (21) angetrieben ist, wobei zwischen dem Kolben (3) und dem Kreuzkopf (17) zudem ein ansteuerbares Magnetlager (13) angeordnet ist, wobei das Magnetlager (13) zumindest senkrecht zur Längsrichtung (L) eine magnetische Kraft (Fm) auf die Kolbenstange (16) bewirken kann, und wobei eine Ansteuervorrichtung (22) die vom Magnetlager (13) auf die Kolbenstange (16) bewirkte magnetische Kraft (Fm) ansteuert.

Description

KOLBENVERDICHTER UND VERFAHREN ZUM BETRIEB
DESSELBEN
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter sowie ein Verfahren zum Betrieb desselben.
Stand der Technik
Das Dokument WO2014/ 139565A1 offenbart einen Kolbenverdichter mit einem horizontal verlaufenden Zylinder in welchem ein in horizontaler Richtung hin und her beweglicher Kolben angeordnet ist. Dieser Kolbenverdichter weist den Nachteil auf, dass die am Kolben angeordneten Führungsringe und / oder Dichtringe einem relativ grossen Verschleiss unterliegen, und dass der Kolbenverdichter nur mit relativ geringer Drehzahl betreibbar ist. Das Dokument DE3805670A1 offenbart einen Kolbenverdichter mit vertikal verlaufendem Zylinder, wobei der Kolben als ein Labyrinthkolben oder als ein mit gefangenen Kolbenringen versehener Kolben ausgestaltet sein kann. Auch dieser Kolbenverdichter weist den Nachteil auf, dass ein Verschleiss auftreten kann. .
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es einen vorteilhafteren Kolbenverdichter auszubilden, der vorzugsweise einen in horizontaler oder vertikaler Richtung beweglichen Kolben aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Kolbenverdichtung aufweisend die Merkmale von Anspruch 1. Die abhängigen Vorrichtungsansprüche betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen. Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Verfahren aufweisend die Merkmale von Anspruch 12. Die abhängigen Verfahrensansprüche betreffen weitere vorteilhafte Verfahrensschritte.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einem Kolbenverdichter zum Verdichten eines Gases, umfassend einen Zylinder, einen Kolben, eine Kolbenstange, eine Packungsdichtung, einen Kreuzkopf, ein Magnetlager sowie einen Antrieb, wobei der Kolben in einer Längsrichtung beweglich innerhalb des Zylinders angeordnet ist, wobei der Kolben über die Kolbenstange mit dem Kreuzkopf verbunden ist, wobei zwischen dem Kolben und dem Kreuzkopf die Packungsdichtung angeordnet ist, durch welche die Kolbenstange verläuft, wobei der Kreuzkopf durch den Antrieb angetrieben ist, wobei zwischen dem Kolben und dem Kreuzkopf das Magnetlager angeordnet ist, und wobei das Magnetlager zumindest senkrecht zur Längsrichtung eine magnetische Kraft auf die Kolbenstange bewirken kann, wobei ein Sensor angeordnet ist zum Erfassen eine Zustandsgrösse des Kolbenverdichters, wobei das Magnetlager als ansteuerbares Magnetlager ausgestaltet ist, und wobei eine Ansteuervorrichtung die vom Magnetlager auf die Kolbenstange bewirkte magnetische Kraft in Abhängigkeit der Zustandsgrösse ansteuert. Der Zylinder verläuft besonders bevorzugt im Wesentlichen in horizontaler Richtung.
Die Aufgabe wird weiter insbesondere gelöst mit einem Kolbenverdichter zum Verdichten eines Gases, umfassend einen in Wesentlichen in horizontaler Richtung verlaufenden Zylinder sowie umfassend einen Kolben, eine Kolbenstange, eine Packungsdichtung, einen Kreuzkopf sowie einen Antrieb, wobei der Kolben in einer Längsrichtung beweglich innerhalb des Zylinders angeordnet ist, wobei der Kolben über eine Kolbenstange mit dem Kreuzkopf verbunden ist, wobei zwischen dem Kolben und dem Kreuzkopf eine Packungsdichtung angeordnet ist, durch welche die Kolbenstange verläuft, und wobei der Kreuzkopf durch den Antrieb angetrieben ist, wobei zwischen dem Kolben und dem Kreuzkopf zudem ein ansteuerbares Magnetlager angeordnet ist, wobei das Magnetlager zumindest senkrecht zur Längsrichtung eine magnetische Kraft auf die Kolbenstange bewirken kann, und wobei eine Ansteuervorrichtung die vom Magnetlager auf die Kolbenstange bewirkte magnetische Kraft ansteuert.
Die Aufgabe wird zudem insbesondere gelöst mit einem Verfahren zum Betrieb eines Kolbenverdichters umfassend einen Kolben, der in einer Längsrichtung innerhalb eines Zylinders hin und her bewegt wird, wobei der Kolben über eine Kolbenstange angetrieben wird, und wobei eine zumindest senkrecht zur Längsrichtung wirkende, magnetische Kraft auf die Kolbenstange ausgeübt wird, wobei eine Zustandsgrösse des Kolbenverdichters erfasst wird, wobei die magnetische Kraft in Abhängigkeit der Zustandsgrösse angesteuert wird, und wobei dadurch über die Kolbenstange eine Kraft, vorzugsweise eine Entlastungskraft, auf den Kolben bewirkt wird. Besonders bevorzugt verläuft die Längsrichtung im Wesentlichen in horizontaler Richtung.
Die Aufgabe wird weiter insbesondere gelöst mit einem Verfahren zum Betrieb eines Kolbenverdichters umfassend einen Kolben, der in einer Längsrichtung innerhalb eines Zylinders hin und her bewegt wird, wobei die Längsrichtung im Wesentlichen in horizontaler Richtung verläuft, wobei der Kolben über eine Kolbenstange angetrieben wird, wobei eine ansteuerbare, zumindest senkrecht zur Längsrichtung wirkende, magnetische Kraft auf die Kolbenstange ausgeübt wird und dadurch über die Kolbenstange eine Entlastungskraft auf den Kolben bewirkt wird, wobei die magnetische Kraft in Abhängigkeit einer Zustandsgrösse angesteuert wird.
Der erfindungsgemässe Kolbenverdichter zum Verdichten eines Gases umfasst ein ansteuerbares Magnetlager, welches zwischen einem Kolben und einem Kreuzkopf des Kolbenverdichters angeordnet ist, wobei eine Kolbenstange den Kolben mit dem Kreuzkopf verbindet, wobei die Kolbenstange durch das magnetische Magnetlager verläuft, und wobei das Magnetlager zumindest senkrecht zur Verlaufsrichtung der Kolbenstange eine ansteuerbare, magnetische Anziehungskraft auf die Kolbenstange ausübt. Der erfindungsgemässe Kolbenverdichter umfasst zudem zumindest einen Sensor sowie eine Ansteuervorrichtung, wobei die Ansteuervorrichtung ausgestaltet ist um im ansteuerbaren Magnetlager angeordnete Elektromagnete mit elektrischem Strom bzw. elektrischer Leistung zu versorgen, wobei die Ansteuervorrichtung den zugeführten Strom bzw. die zugeführte Leistung in Abhängigkeit des vom Sensor gemessenen Wertes moduliert bzw. verändert, um die Lage des Kolbens bezüglich des Zylinders zu beeinflussen, sodass der Kolben innerhalb des Zylinders zumindest zeitweise eine vorteilhafte Lage aufweist. Das ansteuerbare Magnetlager ist vorzugsweise als Radiallager ausgestaltet, umfassend eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordnete, von der Ansteuervorrichtung ansteuerbare Elektromagnete. Das Magnetlager könnte jedoch auch derart ausgestaltet sein, dass die Magnetkraft nur in einer Richtung bzw. in einer Dimension wirkt, beispielsweise indem zwei ansteuerbare Elektromagnete bezüglich der Kolbenstange gegenüberliegend bzw. symmetrisch angeordnet sind, sodass eine von diesen Elektromagneten auf die Kolbenstange bewirkte Magnetkraft nur in einer Dimension wirkt.
Der Kolbenverdichter umfasst zumindest einen Zylinder sowie jeweils einen innerhalb des Zylinders hin- und her beweglich angeordneten Kolben, wobei der Zylinderinnenraum und somit auch die Bewegung des Kolbens in einer bevorzugten Ausgestaltung in horizontaler Richtung oder im Wesentlichen in horizontaler Richtung verläuft, wobei ein derartiger Kolbenverdichter auch als horizontaler Kolbenverdichter bezeichnet wird. Das Magnetlager übt zumindest senkrecht zur Verlaufsrichtung der Kolbenstange eine ansteuerbare, magnetische Anziehungskraft auf die Kolbenstange aus, und bewirkt somit vorzugsweise eine vertikal nach oben gerichtete Kraft auf die Kolbenstange, vorzugsweise in einer zur Schwerkraft entgegengesetzten Richtung. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der in horizontaler Richtung bewegliche Kolben einen sogenannten Führungsring, welcher an der Innenoberfläche des Zylinders aufliegt. Die vom Magnetlager zumindest in vertikaler Richtung auf die Kolbenstange ausgeübte Anziehungskraft und/oder die auf die Kolbenstange ausgeübte Abstossungskraft hat zur Folge, dass die Auflagekraft eines an der Innenoberfläche des Zylinders abgestützten Kolbens reduziert wird, oder dass der Kolben bzw. der Führungsring die Innenoberfläche des Zylinders nicht mehr berührt, sodass der Kolben bzw. der Führungsring des Kolbens entweder nur mit reduzierter Auflagekraft an der Innenoberfläche des Zylinders aufliegt, und besonders vorteilhaft sich ohne eine Berührung der Innenoberfläche des Zylinders innerhalb des Zylinders hin und her bewegt. Falls ein Kolben einen Führungsring aufweist, so ergibt sich aus der Verwendung des Magnetlagers der Vorteil, dass die Auflagekraft des Führungsrings an der Innenoberfläche und dadurch der Verschleiss des Führungsrings reduziert wird, sodass der Führungsring eine höhere Standzeit bzw. eine höhere Lebensdauer aufweist, bis dieser zu ersetzen ist. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass der Kolbenverdichter, falls erwünscht, mit einer höheren Drehzahl betreibbar ist, wobei dabei vorzugsweise kein erhöhter Verschleiss oder keine erhöhte Erwärmung auftritt.
Besonders vorteilhaft ist der Kolben des erfindungsgemässen Kolbenverdichters als ein Labyrinthkolben ausgestaltet, wobei ein solcher Labyrinthkolben, wie an sich bekannt, an dessen Oberfläche eine Labyrinthstruktur aufweist, welche zur Abdichtung zwischen Kolben und Innenoberfläche des Zylinders dient. Die vom Magnetlager auf die Kolbenstange bewirkte Anziehungskraft wird dabei vorzugsweise derart angesteuert, dass der sich hin und her bewegende Kolben entlang des gesamten Hubweges die Innenoberfläche des Zylinders nicht berührt. Der erfindungsgemässe Kolbenverdichtung ist jedoch auch für Kolben mit Kolbenringen und gegebenenfalls zusätzlich aufweisend Führungsringe geeignet. In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung verläuft der Zylinderinnenraum und somit auch die Bewegung des Kolbens in vertikaler Richtung oder im Wesentlichen in vertikaler Richtung. Das Magnetlager übt zumindest senkrecht zur Verlaufsrichtung der Kolbenstange eine ansteuerbare, magnetische Anziehungskraft auf die Kolbenstange aus, und bewirkt somit eine radial oder im Wesentlichen radial zur Kolbenstange verlaufende Kraft auf die Kolbenstange und den Kolben aus. Die vom Magnetlager zumindest in radialer Richtung auf die Kolbenstange ausgeübte Anziehungskraft und/oder die auf die Kolbenstange ausgeübte Abstossungskraft hat zur Folge, dass die Anlagekraft eines an der Innenoberfläche des Zylinders anliegenden Kolbenrings, und insbesondere eine einseitig Anlagekraft, reduziert wird, oder dass der Kolben bzw. dessen Kolbenring, und insbesondere ein als Labyrinthkolben ausgestalteter Kolben, die Innenoberfläche des Zylinders nicht mehr berührt, sodass der Kolben bzw. der Kolbenring entweder nur mit reduzierter Anlagekraft an der Innenoberfläche des Zylinders anliegt, und besonders vorteilhaft der Labyrinthkolben sich ohne eine Berührung der Innenoberfläche des Zylinders innerhalb des Zylinders hin und her bewegt. Die Verwendung des Magnetlagers ergibt den Vorteil, dass ein Verschleiss des Kolbenrings reduziert wird, sodass der Kolbenkompressor eine höhere Standzeit bzw. eine höhere Lebensdauer aufweist, bis dieser zu warten ist. Zudem besteht die Option den Kolbenverdichter mit einer höheren Drehzahl zu betreiben. Sofern der Kolbenkompressor einen Labyrinthkolben aufweist, so ergibt die Verwendung des Magnetlagers den Vorteil, dass eine Berührung zwischen Labyrinthkolben und Innenoberfläche des Zylinders noch besser vermieden werden kann, da eine allenfalls exzentrische Anordnung des Labyrinthkolbens bezüglich dem Innenraum des Zylinders mit Hilfe des Magnetlagers zumindest teilweise korrigiert werden kann, sodass keine gegenseitige Berührung auftritt. Die Verwendung des Magnetlagers ergibt den zusätzlichen Vorteil, dass der Kolbenkompressor auch mit einer reduzierten Spaltbreite zwischen Labyrinthkolbenaussenfläche und der Innenoberfläche des Zylinders sicher betreibbar ist, ohne dass eine gegenseitige Berührung auftritt. Diese reduzierte Spaltbreite erhöht den Wirkungsgrad des Kolbenkompressors bzw. reduziert den Verlust während der Kompression.
In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung weist der Kolbenkompressor zumindest einen Kolben und einen Zylinder auf, und vorzugsweise eine Mehrzahl von Kolben und Zylindern, welche vorzugsweise auf einem gemeinsamen Gestellt angeordnet sind, und welche vorzugsweise von einem gemeinsamen Kurbelwelle angetrieben werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein solcher Kolbenkompressor auf einem Schiff angeordnet, wobei der Zylinder, der Zylinderinnenraum und somit auch die Bewegung des Kolbens bei ruhiger See in vertikaler Richtung oder im Wesentlichen in vertikaler Richtung verlaufen. Eine unruhige oder stürmische See hat zur Folge, dass das Schiff mit zunehmender Wellenhöhe eine zunehmende Roll- oder Stampfbewegung ausführt, was zur Folge hat, dass der gesamte Kolbenkompressor und somit insbesondere auch die Längsrichtung der Kolbenstange eine abhängig vom Wellengang in Funktion der Zeit variable, von der Vertikalen um einen Winkel Beta abweichenden Verlauf aufweist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Winkel Beta, und vorzugsweise der Winkel Beta in Funktion der Zeit, als zusätzliche Zustandsgrösse gemessen.
Auf einem Schiff wird ein mehrstufiger Kolbenkompressor zum Beispiel zum Verdichten von sich in einem Flüssiggasbehälter ansammelnden Abdampfgas auf einen Druck von 200 bis 500 Bar verwendet, um mit dem komprimierten Gas einen Gasmotor bzw. einen Dieselmotor des Schiffes mit Brennstoff zu versorgen. Ein auf einem Schiff angeordneter Kolbenkompressor wird vorzugsweise derart betrieben, dass die vom Magnetlager zumindest in radialer Richtung auf die Kolbenstange ausgeübte Kraft derart in Funktion der Zustandsgrösse und der zusätzlichen Zustandsgrösse angesteuert wird, dass die Anlagekraft eines an der Innenoberfläche des Zylinders anliegenden Kolbenrings, und insbesondere eine einseitig Anlagekraft, reduziert wird, oder dass der Kolben bzw. dessen Kolbenring, und insbesondere ein als Labyrinthkolben ausgestalteter Kolben, die Innenoberfläche des Zylinders nicht mehr berührt, sodass auf einem Schiff auch bei Wellengang gewährleistet ist, dass der/die Kolben bzw. der/die Kolbenringe des Kolbenkompressors entweder nur mit reduzierter Anlagekraft an der Innenoberfläche des Zylinders anliegt, und besonders vorteilhaft der/ die Labyrinthkolben sich ohne eine Berührung der Innenoberfläche des Zylinders innerhalb des Zylinders hin und her bewegten. Die Verwendung des Magnetlagers ergibt den Vorteil, dass auch bei Wellengang ein Verschleiss des Kolbenrings reduziert wird, bzw. dass eine Berührung der Labyrinthstruktur des Labyrinthkolbens mit der Innenwand des Zylinders vermieden wird, insbesondere auch bei geringer Spaltbreite zwischen
Kolbenaussendurchmessen und Zylinderinnenwand, sodass ein auf einem Schiff angeordneter Kolbenkompressor eine höhere Standzeit bzw. eine höhere Lebensdauer aufweist, bis dieser zu warten ist. Das Magnetlager wird vorzugsweise derart angesteuert, dass das Magnetlager radial zur Längsachse der Kolbenstange eine dämpfende Wirkung auf die Kolbenstange ausübt, um eine Bewegung der Kolbenstange und des Kolbens in zur Längssachse radialen Richtung zu dämpfen, um beispielsweise die maximale Amplitude auftretender Resonanzschwingungen oder anderer Querschwingungen des Kolbens, beispielsweise verursacht durch Wellengang, zu reduzieren.
Da die Wellenbewegung beziehungsweise die gemessene und daraus abgeleitete zusätzliche Zustandsgrösse im Vergleich zur Drehzahl des Kolbenkompressors einen relativ langsam ablaufenden Prozess darstellt, und die Periodendauer einer Wellenbewegung des Wassers im Vergleich zur Periodendauer einer Umdrehung des Kolbenkompressors um einen Faktor 10 bis 1000 langsam ist, ist es möglich eine kurzfristige Veränderung der zusätzlichen Zustandsgrösse vorauszuberechnen, und diesen Wert in die Ansteuerung des Magnetlagers einfliessen zu lasse, indem das Magnetlager mit eine vorausschauende Steuerung angesteuert wird, welche die auf Grund des Wellengangs zu erwartende Bewegung des Kolbenkompressors beispielweise für einen Zeitpunkt, der beispielsweise im Bereich zwischen 1 bis 50 Sekunden liegen kann, voraussagt, und das Magnetlager entsprechend ansteuert, sodass bei der Beeinflussung bzw. Ansteuerung der Lage der Kolbenstange bzw. des Kolbens die zu erwartende , durch den Wellengang verursachte Bewegung des Kolbenkompressors mit berücksichtig wird.
Der erfindungsgemässe Kolbenverdichteter weist zudem den Vorteil auf, dass dieser mit einer höheren Drehungszahl beziehungsweise mit einer höheren mittleren Kolbengeschwindigkeit betreibbar ist, da der Kolben bzw. der Führungsring die Zylinderinnenwand entweder gar nicht mehr berührt, oder nur noch mit reduzierter Auflagekraft an der Zylinderinnenwand anliegt. Ein derartiger Betrieb mit höherer Umdrehungszahl ist insbesondere vorteilhaft bei einem Kolbenkompressor mit einem sogenannten trocken laufenden Kolben, das heisst einem Labyrinthkolben, oder einem Kolben mit selbstschmierenden Dichtungsringen, das heisst einem Kolben, dessen Kolben- bzw. Dichtungsringe nicht ölgeschmiert sind, was auch als ein ungeschmierter Kolben bezeichnet wird. Das ansteuerbare Magnetlager kann entweder als tragendes Lager verwendet werden, durch welches der Kolben ohne eine Berührung der Innenoberfläche des Zylinders gehalten wird, oder es kann als Entlastungslager verwendet werden, durch welches die vom Kolben auf die Innenoberfläche des Zylinders bewirkte Kraft reduziert wird, wobei der Kolben in diesem Fall die Innenwand berührt. Das ansteuerbare Magnetlager kann auch einen zentrierende Funktion bei einem im Wesentlichen vertikal verlaufenden Kolben übernehmen, durch welche der Kolben zentriert, und vorzugsweise ohne eine Berührung der Innenoberfläche des Zylinders gehalten wird.
Das Magnetlager ist in einem Ausführungsbeispiel an einer vorgegebenen Stelle im horizontalen Kolbenverdichter angeordnet, wogegen sich die Lage des Schwerpunkts des Kolben durch die Hin- und Herbewegung während des Betriebs ständig verändert, sodass sich während des Betriebs die Länge des durch die Kolbenstange zwischen dem magnetischen Magnetlager und dem Schwerpunkt des Kolbens gebildeten Hebelarms ständig verändert. Eine zur Stromversorgung des Magnetlagers vorgesehene Ansteuervorrichtung ist daher vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass die vom magnetischen Magnetlager auf die Kolbenstange bewirkte magnetische Kraft in Abhängigkeit der Stellung des Kolbens beziehungsweise in Abhängigkeit der Länge des vorhin genannten Hebelarms angesteuert verändert wird. Vorteilhafterweise wird zumindest eine in vertikaler Richtung wirkende Kraft auf die Kolbenstange ausgeübt. Besonders vorteilhaft ist das Magnetlager als Radiallager ausgestaltet, das, senkrecht zur Längsrichtung der Kolbenstange, eine in zwei Dimensionen ansteuerbare Kraft auf die Kolbenstange ausüben kann, vorzugsweise eine Kraft in vertikaler Richtung und eine Kraft in horizontaler Richtung. Vorteilhafterweise wird ein solches Radiallager derart angesteuert, dass der Kolben während dem Betrieb in jeder seiner möglichen Stellungen die Innenoberfläche des Zylinders nicht berührt, weder eine untere noch eine obere noch eine seitliche Innenfläche des Zylinders.
Das Magnetlager wird vorzugsweise in Abhängigkeit einer gemessenen Zustandsgrösse angesteuert, insbesondere wenn der Kolben während dem Betrieb die Innenoberfläche des Zylinders nicht berührt soll, wobei die Zustandsgrösse zumindest eine der nachfolgenden Grössen umfasst: Verschiebeweg des Kolbens im Zylinder, Verschiebeweg der Kolbenstange in Verlaufsrichtung der Kolbenstange, Verschiebeweg der Kolbenstange senkrecht zur Verlaufsrichtung der Kolbenstange, sowie Drehwinkel der Antriebswelle. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist als Zustandsgrösse der Abstand der Kolbenstange bezüglich dem Magnetlager geeignet, zumindest in vertikaler Richtung, und insbesondere die Spaltbreite im Magnetlager zwischen Kolbenstange und Magnetlager.
Der Sensor zum Erfassen der Zustandsgrösse ist vorteilhafterweise zum Erfassen zumindest einer der nachfolgenden Grössen ausgestaltet: Neigungswinkel ß der Längsrichtung gegenüber der Vertikalen, Neigungswinkel ß in Funktion der Zeit, Spaltbreite zwischen Zylinderinnenfläche und Kolbenseitenfläche, Ort einer gegenseitigen Berührungsstelle von Kolben und Zylinder.
Ein Kolbenkompressor umfasst üblicherweise eine Packungsdichtung mit Dichtungsringen, wobei die Kolbenstange durch diese Packungsdichtung bzw. deren Dichtungsringe verläuft, um den Zylinderinnenraum gegen Aussen abzudichten. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind in der Packungsdichtung nebst den Dichtungsringen zudem noch das Magnetlager angeordnet. Eine solche, modifizierte Packungsdichtung umfassend das Magnetlager ist besonders vorteilhaft als ein Austauschteil ausgestaltet. Besonders vorteilhaft weist eine solche modifizierte Packungsdichtung dieselben Masse auf wie bisher bekannte Packungsdichtungen ohne Magnetlager, sodass die modifizierte Packungsdichtung umfassend das Magnetlager zum Einbau in bestehende Kolbenkompressoren verwendet werden kann, um diese nachzurüsten und qualitativ zu verbessern.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die modifizierte Packungsdichtung zudem noch Kühlkanäle. Bei einer im Kolbenkompressor montierten, modifizierten Packungsdichtung sind diese Kühlkanäle mit einem Kühlkreislauf verbunden, um das magnetische Magnetlager und/oder die Packungsdichtung zu kühlen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen schematisch vereinfachten Längsschnitt durch einen Kolbenverdichter;
Fig. 2 schematisch eine Regelungsvorrichtung;
Fig. 3 ein beispielhafter Verlauf der magnetischen Kraft in Funktion einer Zustandsgrösse, nämlich des Drehwinkels einer Antriebswelle; Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine bekannte Packungsdichtung;
Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Packungsdichtung gemäss der Erfindung;
Fig. 6 ein radiales Magnetlager;
Fig. 7 ein geneigt angeordneter Kolbenverdichter, beispielsweise auf einem Schiff mit Wellengang.
Grundsätzlich sind in den Zeichnungen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt einen Kolbenverdichter 1 zum Verdichten eines Gases, umfassend einen in horizontaler Richtung verlaufenden Zylinder 2 sowie umfassend einen innerhalb des Zylinders 2 in Verlaufsrichtung des Zylinders 2 bzw. in Längsrichtung L beweglichen Kolben 3. Der Kolbenverdichter 1 umfasst zudem eine Kolbenstange 16, eine Packungsdichtung 12, ein Magnetlager 13, einen Kreuzkopf 17 mit einer Linearführung 18, eine Schubstange 19 sowie einen Antrieb, beispielsweise eine Kurbel 20 mit einer Antriebswelle 21. Der Kolben 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel doppelwirkend ausgestaltet und umfasst Dichtungs- bzw. Kolbenringe 4 sowie einen Führungsring 5, wobei der Kolben 3 den Innenraum des Zylinders 2 in einen ersten Innenraum 6 sowie einen zweiten Innenraum 7 unterteilt, wobei diese beiden Innenräume je ein Eingangsventil 8, 9 sowie je ein Ausgangsventil 10, 11 aufweisen. Der Zylinder 2 ist über ein Zwischenstück 14 mit einem Gehäuse 15 verbunden, wobei in Zwischenstück zudem die Packungsdichtung 12 und das Magnetlager 13 angeordnet sind. Das Magnetlager 13 bewirkt zumindest in vertikaler Richtung eine magnetische Kraft Fm auf die Kolbenstange 16. Eine Ansteuervorrichtung 22 erfasst über eine Signalleitung 24 und einen nicht dargestellten Sensor eine Zustandsgrösse Z des Kolbenkompressors 1, beispielsweise den Verschiebeweg s(t) des Kolbens im Zylinder 7 in Funktion der Zeit, den Verschiebeweg s(t) der Kolbenstange 16 und/oder einen Drehwinkel a(t) der Antriebswelle 21 in Funktion der Zeit. Die Ansteuervorrichtung 22 steuert den Strom in den Elektromagneten des Magnetlagers 13 und dadurch die von den Magneten auf die Kolbenstange 16 bewirkte magnetische Kraft über eine Signalleitung 25 an.
Die Ansteuervorrichtung 22 kann in einer einfachen Ausführungsform in einem Ansteuermodus betrieben werden, bei welchem eine Zustandsgrösse Z gemessen wird, und die magnetische Kraft Fm in Funktion der Zustandsgrösse Z verändert wird. Dabei kann auf eine Rückkoppelung verzichtet werden. Figur 3 zeigt beispielhaft einen derartigen Ansteuermodus, bei welchem der Verlauf einer Kurve Kl vorgegeben wird, wobei die Kurve Kl den Zusammenhang der Zustandsgrösse Z, im vorliegenden Fall der Drehwinkel a der Antriebswelle 21 , sowie die in Funktion des Drehwinkels a zu erzeugende magnetische Kraft Fm vorgibt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der Winkel a=0° dem unteren Totpunkt und a=180° dem oberen Totpunkt des Kolbens 3 bezüglich dem zweiten Innenraum 7, wobei die magnetische Kraft Fm am unteren Totpunkt am kleinsten ist, weil der durch die Kolbenstange 16 zwischen dem Schwerpunkt S des Kolbens 3 und dem Magnetlager 13 gebildete Hebelarm am kürzesten ist, und wobei die magnetische Kraft Fm am oberen Totpunkt am grössten ist, weil der durch die Kolbenstange 16 zwischen dem Schwerpunkt S des Kolbens 3 und dem Magnetlager 13 gebildete Hebelarm am längsten ist. Der Drehwinkels a wird mit einem nicht dargestellten Sensor gemessen und über die Signalleitung 24 der Ansteuervorrichtung 22 zugeführt. Der Kurvenverlauf Kl kann beispielsweise auf Grund von Erfahrungswerten vorgegeben werden. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn, wie in Figur 1 dargestellt, ein Kolben 3 aufweisend einen Führungsring 5 verwendet wird, wobei der Führungsring 5 an der Innenoberfläche des Zylinders 2 anliegt, und wobei die magnetische Kraft Fm dazu dient die Auflagekraft des Führungsrings 5 an der Innenoberfläche des Zylinders 2 zu reduzieren, um dadurch insbesondere einen Verschleiss des Führungsrings 5 zu reduzieren. Die in Figur 3 dargestellte Kurve Kl zeigt nur den Verlauf der magnetischen Kraft Fm in Funktion des Kurbelwellenwinkels a zwischen 0° und 180°. Im nachfolgenden, nicht dargestellten Abschnitt zwischen 180° und 360°, verläuft die Kraft Fm, ausgehend vom Wert bei 180°, in umgekehrter Richtung bis zum Wert von Fm beim Winkel von 0°, wobei dieser Wert identisch zum Wert beim Winkel von 360°.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Messvorrichtung, beispielsweise ein Sensor 26 vorgesehen, um die Lage der Kolbenstange 16 und/oder des Kolbens 3 zumindest in vertikaler Richtung zu messen. Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches die Lage der Kolbenstange 16 in vertikaler Richtung misst. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Sensor 26 nahe dem Magnetlager 13 oder sogar innerhalb des Magnetlagers 13 angeordnet, wobei der Sensor 26 vorteilhafterweise die Distanz D zwischen einem oberen Spulenkern 13a des Magnetlagers 13 und der Oberfläche der Kolbenstange 16 misst. Das Magnetlager 13 umfasst vorteilhafterweise zumindest einen oberen Spulenkern 13a mit Spule 13b sowie einen unteren Spulenkern 13c mit Spule 13d. Das Magnetlager 13 kann, wie in Figur 6 dargestellt, auch als radiales Magnetlager ausgestaltet sein, mit einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Elektromagneten, wobei deren Spulen 13b, 13d vorzugsweise einzeln ansteuerbar sind, sodass durch eine entsprechende Ansteuerung der Spulen 13b, 13d die Richtung der auf die Kolbenstange 16 bewirkte magnetische Kraft Fm bestimmt werden kann.
In einem vorteilhaften Betriebsverfahren wird der Ansteuervorrichtung 22 über die Sollwertvorgabe 28 ein Sollwert für die Distanz D vorgegeben, wobei die Ansteuervorrichtung 22 die Spulen 13b, 13d derart über die Signalleitung 25 mit Strom ansteuert, der die Kolbenstange 16 unabhängig von Hub s(t) bzw. vom Kurbelwellenwinkel a(t) eine im Wesentliche gleichbleibende, konstante Distanz D bezüglich dem oberen Spulenkern 13a aufweist. Die Kolbenstange 16 wirkt dabei als magnetischer Anker der beiden Spulenkerne 13a, 13b. Vorzugsweise kann das Magnetlager 13 sowohl eine nach oben gerichtete Kraft als auch eine nach unten gerichtet magnetische Anziehungskraft auf die Kolbenstange 16 bewirken, sodass die Lage der Kolbenstange 16 relativ zum Magnetlager 13 besonders präzise ansteuerbar ist.
Der Kolbenverdichters 1 wird somit vorteilhafterweise derart betrieben, dass eine ansteuerbare magnetische Kraft Fm auf die Kolbenstange 16 ausgeübt wird, sodass über die Kolbenstange 16 eine zumindest in vertikaler Richtung wirkende Kraft Fm, bzw. eine Entlastungskraft Fh, auf den Kolben 3 bewirkt wird auf den Kolben 3 bewirkt wird, welcher der Schwerkraft F entgegenwirkt, wobei die magnetische Kraft Fm abhängig von einer Zustandsgrösse Z wie beispielsweise der Distanz D, dem Hub s(t) oder dem Drehwinkel a(t) angesteuert bzw. verändert wird. Die in den Figuren 1 bis 3 beschriebene Anordnung sowie das beschriebene Verfahren ist auch zum Betrieb bzw. zur Ansteuerung eines Kolbenverdichters mit einem in vertikaler Richtung verlaufenden Zylinder und in vertikaler Richtung beweglichem Kolben geeignet.
Figur 7 zeigt den in Figur 1 dargestellten Kolbenverdichter 1 mit einem im Wesentlichen in vertikaler Richtung verlaufenden Zylinder 2 bzw. Zylinderinnenraum, mit einer im Wesentlichen in vertikaler Richtung verlaufenden Kolbenstange 16, sowie mit einem in dieser Richtung beweglichen Kolben 3. In Figur 7 ist der Kolbenverdichter 1 auf einem Schiff mit einer Krängung mit Krängungswinkel angeordnet, weshalb der Zylinder 2 und die Kolbenstange 16 gegenüber der Vertikalen V einen Neigungswinkel ß aufweisen. Der Kolbenverdichter 1 ist vorzugsweise derart im Schiff angeordnet, dass der Zylinder 2 und die Kolbenstange 16 bei absolut ruhiger See genau in vertikaler Richtung oder zumindest annähernd in vertikaler Richtung verlaufen. Der Kolbenverdichter 1 könnte natürlich auch auf dem Land angeordnet sein, und der Zylinder 2 und die Kolbenstange 16 vorzugsweise genau in vertikaler Richtung oder zumindest annähernd in vertikaler Richtung verlaufen. Vorzugsweise wird der Neigungswinkel ß bezüglich der Vertikalen V mit einem nicht dargestellten Sensor 26 gemessen, wobei der Neigungswinkel ß vorzugsweise in Funktion der Zeit t gemessen wird. Das Magnetlager 13 wird über die Ansteuervorrichtung 22 derart angesteuert, dass auf die Kolbenstange 16 eine magnetische Kraft Fm bewirkt wird, und dass die Kolbenstange 16 eine Entlastungskraft Fh auf den Kolben 3 überträgt, sodass, bedingt durch die einwirkende Entlastungskraft Fh, die Lage des Kolbens 3 innerhalb des Zylinders 2, sofern möglich, beeinflusst wird.
Als Zustandsgrösse Z zur Ansteuerung des Magentlagers 13, ist, nebst oder anstelle der bereits erwähnten Zustandsgrössen Z, zumindest eine der nachfolgenden Grössen geeignet: Neigungswinkel ß des Zylinders gegenüber der Vertikalen V, Spaltbreite zwischen Zylinderinnenfläche und Kolbenseitenfläche, Ort einer gegenseitigen Berührungsstelle von Kolben und Zylinder.
Vorteilhafterweise wird das Magnetlager 13 derart angesteuert, dass der gegenseitige Abstand von Kolbenstange 16 und Magnetlager 13 und/ oder der Abstand von Zylinderinnenfläche und Kolbenseitenfläche, senkrecht zur Längsrichtung L, konstant oder im Wesentlichen konstant gehalten wird. Vorzugsweise wird der Kolben 3 ohne Wandberührung im Zylinder 7 gehalten. Vorzugsweise wird als Zustandsgrösse Z zudem der zwischen der Vertikalen V und der Längsrichtung L eingenommene Neigungswinkel ß(t) in Funktion der Zeit t gemessen. Besonders vorteilhaft wird bei einem auf einem Schiff angeordneten Kolbenverdichter die magnetische Kraft Fm mittels einer vorausschauenden Steuerung angesteuert. Vorteilhafterweise umfasst die Zustandsgrösse Z den Neigungswinkel ß(t) in Funktion der Zeit t, sodass die Zustandsgrösse Z von der Zeit t abhängig ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Zustandsgrösse Z nebst dem Neigungswinkel ß(t) in Funktion der Zeit t zumindest noch eine weitere, hierin genannte Zustandsgrösse, sodass eine derartige, resultierende Zustandsgrösse aus einer Kombination von zumindest zwei hierin genannten Zustandsgrössen besteht. Beispielsweise könnte eine resultierende Zustandsgrösse die Zustandsgrösse Z der Bewegung der Kolbenstange senkrecht zur Längsrichtung L umfassen, und mit der Zustandsgrösse Z des Neigungswinkel ß(t) in Funktion der Zeit t kombiniert werden, sodass mit Hilfe der vorausschauenden Steuerung und der Kenntnis der Zustandsgrösse Z des Neigungswinkel ß(t) in Funktion der Zeit t die durch den Neigungswinkel ß(t) zum Zeitpunkt t +At verursachte, zu erwartende Bewegung der Kolbenstange senkrecht zur Längsrichtung L vorausberechnet werden kann, und das Magnetlager 12 mit dieser vorausschauende Zustandsgrösse Zv(t +At) angesteuert werden kann.
Vorteilhafterweise wird aus der Zustandsgrösse Z(t) in Abhängigkeit des Neigungswinkels ß(t) für einen zukünftigen Zeitpunkt t+At eine vorausschauende Zustandsgrösse Zv(t +At) berechnet, und wird die magnetische Kraft Fm zum aktuellen Zeitpunkt t in Abhängigkeit der vorausschauende Zustandsgrösse Zv(t +At) angesteuert.
Besonders vorteilhaft wird der erfindungsgemässe Kolbenverdichter umfassend das ansteuerbare Magnetlager in Kombination mit einem Transportschiff verwendet, das für Transporte über das Meer eingesetzt wird.
Der in Figur 4 dargestellte Längsschnitt zeigt eine an sich bekannte Packungsdichtung 12, umfassend eine Mehrzahl von Kammerringen 12a in welchen Dichtungsringe 12b angeordnet sind. Zudem umfasst die Packungsdichtung 12 ein Befestigungsteil 12c, an welchem auf nicht im Detail dargestellte Weise, alle Kammerringe 12a befestigt sind. Die Packungsdichtung 12 ist über das Befestigungsteil 12c mit einem Zylindergehäuse 2a eines Zylinders 2 verbunden, wobei eine Kolbenstange 16 durch die Packungsdichtung 12 verläuft. Das Zylindergehäuse 2a weist eine Ausnehmung auf, welche einer Aussenkontur 12d der Packungsdichtung 12 entspricht, sodass die gesamte Packungsdichtung 12 in diese Ausnehmung einführbar ist, und falls erforderlich die gesamte Packungsdichtung 12 ersetzt werden kann. Figur 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Packungsdichtung 12 umfassend ein Magnetlager 13. Figur 6 zeigt einen Teilabschnitt des Magnetlagers 13, das als Radiallager ausgestaltet ist und acht Spulenkerne 13a, 13c umfasst, wobei die zwei gegenüber liegenden Spulenkerne 13a, 13c mit Bezugszeichen versehen sind. Die Spulenkerne 13a, 13c sind mit Spulen 13b, 13d umwickelt. Zudem ist die der Kolbenstange 16 zugewannt Stirnseite 13e des Spulenkerns 13a dargestellt. Die Packungsdichtung 12 gemäss Figur 5 umfasst zwei Kammerringe 12a in welchen Dichtungsringe 12b angeordnet sind. Die Packungsdichtung 12 umfasst zudem zwei Notlager 12f, 12g mit je einer Lagerfläche 12h, 12i. Bei einem Stromausfall des Magnetlagers 13 oder zum Beispiel bei abgeschaltetem Kolbenverdichters kann die Kolbenstange 16 auf den Notlagern 12f, 12g aufliegen. Die Packungsdichtung 12 umfasst zudem eine Halterung 12k für einen Sensor 26, wobei zumindest oben ein Sensor 26 angeordnet ist, und wobei vorzugsweise eine Mehrzahl von Sensoren 26 in Umfangsrichtung gegenseitig beabstandet angeordnet sind. Zudem umfasst die Packungsdichtung 12 ein Befestigungsteil 12c, mit welchem vorzugsweise alle in Figur 5 dargestellten Komponenten verbunden sind. Die Packungsdichtung 12 weist eine Aussenkontur 12d auf. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Aussenkontur 12d der erfindungsgemässen Packungsdichtung 12 ähnlich oder identisch dimensioniert wie die in Figur 4 dargestellte, bekannte Packungsdichtung 12, sodass in bestehenden Kolbenverdichtern 1 aufweisend die bekannte Packungsdichtung 12 die erfindungsgemässe Packungsdichtung 12 eingesetzt werden kann. Vorzugsweise wird ein mit der erfindungsgemässen Packungsdichtung 12 aufgewerteter Kolbenverdichter 1 zudem noch mit einer Ansteuervorrichtung 22 versehen, sodass auch bestehenden Kolbenverdichter 1 mit der erfindungsgemässen Vorrichtung versehen werden können bzw. bestehende Kolbenverdichter 1 mit dem erfindungsgemässen Verfahren betrieben werden können.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemässe Packungsdichtung 12, wie in Figur 5 dargestellt, zudem noch Kühlkanäle 121, welche beispielsweise innerhalb des Aussenmantels 12e und/ oder innerhalb der Spulenkerne 13a, 13c verlaufen, wobei die Kühlkanäle Teil eines Kühlkreislaufes ausbilden, um das Magnetlager 13 und/oder die Packungsdichtung 12 zu kühlen. Der Kühlkreislauf ist nur schematisch dargestellt, wobei die Zuführleitungen und die Abführleitungen des Kühlkreislaufs vorzugsweise derart durch das Befestigungsteil 12c verlaufend angeordnet sind, sodass das Befestigungsteil 12c von Aussen, vorzugsweise an dessen Stirnseite zugängliche Anschlüsse 12m für den Kühlkreislauf aufweist, und dass der Kühlkreislauf im Innern der Packungsdichtung 12 vorgegeben und fertig konfiguriert ist, sodass nach dem Einbau der Packungsdichtung 12 nur noch die externe Kühlmittelzufuhr von Aussen am Befestigungsteil 12c anzuschliessen ist, um den Kühlreislauf im Innern der Packungsdichtung 12 mit Kühlflüssigkeit zu versorgen. In Figur 5 sind insbesondere die innerhalb das Notlauflagers 12g angeordneten, die Kühlkanäle 121 gegenseitig Fluid leitend verbindenden Verbindungskanäle nicht dargestellt.
Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 1 ist ein Kolbenkompressor 1 umfassend einen Kolben 3 mit Kolben- bzw. Dichtringen 4 sowie einem Führungsring 5 dargestellt. Auf den Führungsring 5 könnte verzichtet werden. In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel könnte der Kolben 3 auch als Labyrinthkolben ausgestaltet sein, wobei dieser Labyrinthkolben die Innenwand des Zylinders 2 vorzugsweise nicht berührt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Kolbenverdichter (1) zum Verdichten eines Gases, umfassend einen Zylinder (2), einen Kolben (3), eine Kolbenstange (16), eine Packungsdichtung (12), einen Kreuzkopf (17), ein Magnetlager (13) sowie einen Antrieb (21), wobei der Kolben (3) in einer Längsrichtung (L) beweglich innerhalb des Zylinders (2) angeordnet ist, wobei der Kolben (3) über die Kolbenstange (16) mit dem Kreuzkopf (17) verbunden ist, wobei zwischen dem Kolben (3) und dem Kreuzkopf (17) die Packungsdichtung (12) angeordnet ist, durch welche die Kolbenstange (16) verläuft, wobei der Kreuzkopf (17) durch den Antrieb (21) angetrieben ist, wobei das Magnetlager (13) zwischen dem Kolben (3) und dem Kreuzkopf (17) angeordnet ist, und wobei das Magnetlager (13) zumindest senkrecht zur Längsrichtung (L) eine magnetische Kraft (Fm) auf die Kolbenstange (16) bewirken kann, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (26) angeordnet ist zum Erfassen eine Zustandsgrösse (Z) des Kolbenverdichters (1), dass das Magnetlager (13) als ansteuerbares Magnetlager (13) ausgestaltet ist, und dass eine Ansteuervorrichtung (22) die vom Magnetlager (13) auf die Kolbenstange (16) bewirkte magnetische Kraft (Fm) in Abhängigkeit der Zustandsgrösse (Z) ansteuert.
2. Kolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (2) im Wesentlichen in horizontaler Richtung verläuft.
3. Kolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (2) im Wesentlichen in vertikaler Richtung verläuft.
4. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (26) ausgestaltet ist zum Erfassen zumindest einer der nachfolgenden Grössen als Zustandsgrösse (Z): Verschiebeweg des Kolbens im Zylinder, Verschiebeweg der Kolbenstange in Verlaufsrichtung der Kolbenstange, Verschiebeweg der Kolbenstange senkrecht zur Verlaufsrichtung der Kolbenstange, Bewegung des Kolbens senkrecht zur Verlaufsrichtung der Kolbenstange, Drehwinkel der Antriebswelle, Spaltbreite innerhalb des Magnetlagers (13) zwischen Kolbenstange (16) und einem Magnet des Magnetlagers (13).
5. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (26) ausgestaltet ist zum Erfassen zumindest einer der nachfolgenden Grössen: Neigungswinkel (ß) der Längsrichtung (L) gegenüber der Vertikalen (V), Spaltbreite zwischen Zylinderinnenfläche und Kolbenseitenfläche, Ort einer gegenseitigen Berührungsstelle von Kolben und Zylinder.
6. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsdichtung (12) als ein Austauschteil ausgestaltet ist, und dass die Packungsdichtung (12) sowohl zumindest einen Dichtungsring (23) als auch das Magnetlager (13) umfasst.
7. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) als ein Labyrinthkolben ausgestaltet ist.
8. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) eine Mehrzahl von Dichtungsringen (4) und vorzugsweise zudem einen Führungsring (5) umfasst.
9. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsdichtung (12) und das Magnetlager (13) Kühlkanäle (121) für eine Kühlmittel umfasst.
10. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsdichtung (12) in Längsrichtung (L) nacheinander folgend angeordnet zumindest ein Befestigungsteil (12c), das Magnetlager (13), sowie zumindest einen Kammerring (12a) mit darin angeordnetem Dichtungsring (12b) umfasst.
11. Kolbenverdichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsdichtung (12) zumindest zwei Notlager (12f,
12g) umfasst, welche in Längsrichtung (L) gegenseitig beabstandet angeordnet sind.
12. Verfahren zum Betrieb eines Kolbenverdichters (1) umfassend einen Kolben (3), der in einer Längsrichtung (L) innerhalb eines Zylinders (7) hin und her bewegt wird, wobei der Kolben (3) über eine Kolbenstange (16) angetrieben wird, und wobei eine zumindest senkrecht zur Längsrichtung (L) wirkende, magnetische Kraft (Fm) auf die Kolbenstange (16) ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zustandsgrösse (Z) des Kolbenverdichters (1) erfasst wird, dass die magnetische Kraft (Fm) in Abhängigkeit der Zustandsgrösse (Z) angesteuert wird, und dass dadurch über die Kolbenstange (16) eine Entlastungskraft (Fh) auf den Kolben (3) bewirkt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrichtung (L) im Wesentlichen in horizontaler Richtung verläuft.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrichtung (L) im Wesentlichen in vertikaler Richtung verläuft.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrichtung (L) bezüglich der Vertikalen (V) einen Neigungswinkel (ß) im Bereich von +/- 10° aufweist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgrösse (Z) zumindest eine der nachfolgenden Grössen umfasst, Verschiebeweg des Kolbens (3) im Zylinder (7), Verschiebeweg der Kolbenstange (16) in Längsrichtung (L), Bewegung der Kolbenstange (16) senkrecht zur Längsrichtung (L), Bewegung des Kolbens (3) senkrecht zur Längsrichtung (L), Drehwinkel einer die Kolbenstange (16) antreibenden Antriebswelle (21); Spaltbreite innerhalb des Magnetlagers (13) zwischen Kolbenstange (16) und einem Magnet des Magnetlager (13).
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsgrösse (Z) die gegenseitige Lage von der Kolbenstange (16) und dem Magnetlager (13), senkrecht zur Längsrichtung (L) der Kolbenstange (16), gemessen wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsgrösse (Z) zumindest einer der nachfolgenden Grössen: Neigungswinkel (ß) des Zylinders gegenüber der Vertikalen (V), Spaltbreite zwischen Zylinderinnenfläche und Kolbenseitenfläche, Ort einer gegenseitigen Berührungsstelle von Kolben und Zylinder.
19. Verfahren nach Anspruch 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der gegenseitige Abstand von Kolbenstange (16) und Magnetlager (13) und/ oder der Abstand von Zylinderinnenfläche und Kolbenseitenfläche, senkrecht zur Längsrichtung (L), konstant gehalten wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) ohne Wandberührung im Zylinder (7) gehalten wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsgrösse Z zudem der zwischen der Vertikalen (V) und der Längsrichtung (L) eingenommene Neigungswinkel (ß(t)) in Funktion der Zeit (t) gemessen wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Kraft (Fm) mittels einer vorausschauenden Steuerung angesteuert wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgrösse (Z) den Neigungswinkel (ß(t)) in Funktion der Zeit (t) umfasst, sodass die Zustandsgrösse (Z) von der Zeit (t) abhängig ist.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Zustandsgrösse Z(t) in Abhängigkeit des Neigungswinkels (ß(t)) für einen zukünftigen Zeitpunkt (t+At) eine vorausschauende Zustandsgrösse Zv(t +At) berechnet wird, und dass die magnetische Kraft (Fm) beim aktuellen Zeitpunkt (t) in Abhängigkeit der vorausschauende Zustandsgrösse Zv(t +At) angesteuert wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Kraft (Fm) in Funktion der Zustandsgrösse (Z) fest vorgegeben ist.
26. Verwendung eines Kolbenverdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auf einem Transportschiff.
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