[0001] Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Kolbenverdichter mit reduzierter Leistungsaufnahme
bei fehlendem Gegendruck (Leerlauf).
[0002] Kolbenverdichter dienen der Kompression von Gasen, meist Luft, die als Arbeitsmedium
zum Betrieb verschiedenster Aggregate genutzt werden soll. Im Betrieb arbeiten derartige
Verdichter z.B. auf einen Druckluftbehälter, d.h. der Druckluftbehälter wird mit komprimierter
Luft befüllt, bis ein vorgebbares Druckniveau erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt öffnet
ein zwischen dem Verdichter und dem Druckluftbehälter angeordnetes Regelventil, so
dass die vom Verdichter geförderte Luft entweicht. Der Verdichter selbst kann oftmals
nicht abgeschaltet werden, da er z.B. mit dem Fahrzeugmotor fest gekoppelt ist.
[0003] Zwischen dem Regelventil und dem Verdichter befinden sich jedoch im Allgemeinen längere
Druckleitungen, so dass der Verdichter bei geöffnetem Regelventil immer noch gegen
den Rohrleitungswiderstand bzw. gegen einen gewissen Gegendruck arbeiten muss. Zudem
tritt in diesem Fall bei mehrstufigen Verdichtern auf Grund der unterschiedlichen
Hubvolumina der einzelnen Stufen der Effekt auf, dass die unteren Stufen eine deutliche
indizierte Arbeit leisten müssen.
[0004] Um hier Abhilfe zu schaffen, sind derzeit bei einstufigen Verdichtern aufwändige
Regeleinrichtungen vorgesehen, die zusätzliche Leitungen und Messeinrichtungen erfordern.
Mit diesen Regeleinrichtungen wird dann bei Erreichen des voreingestellten Druckes
im Behälterzusätzlich am Verdichterein Überströmventil elektromechanisch oder pneumatisch
geöffnet, so dass der weiter laufende Verdichter nicht mehr gegen einen Gegendruck
arbeitet. Die Folge ist eine Energieeinsparung und es treten nur noch Reibungsverluste
auf.
[0005] Derartige Systeme werden von Knorr Bremsen (Power Reduction System) und WABCO (ESS-System,
Energiesparsystem) eingesetzt.
[0006] Aus der
deutschen Offenlegungsschrift 1 403 953 ist ein mehrstufiger Kolbenverdichter zur Verdichtung kompressibler Medien mit mindestens
einer stromaufwärts angeordneten Verdichterstufe und mindestens einer stromabwärts
angeordneten Verdichterstufe bekannt, wobei jede Verdichterstufe mindestens einen
in einem Zylinderraum geführten Kolben, eine mit dem Zylinderraum durch ein Einlassventil
verbundene Einlassventilkammer und eine mit dem Zylinderraum durch ein Auslassventil
verbundene Auslassventilkammer aufweist.
[0007] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mehrstufigen Verdichter
der beschriebenen Art anzugeben, der bei fehlendem Gegendruck Δp eine geringere Leistungsaufnahme
aufweist als bekannte mehr- und einstufige Verdichter.
[0008] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen mehrstufigen Verdichter mit den
Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der abhängigen Ansprüche.
[0009] Der mehrstufige Kolbenverdichter zur Verdichtung kompressibler Medien umfasst mindestens
eine stromaufwärts und mindestens eine stromabwärts angeordnete Verdichterstufe, wobei
jede Verdichterstufe mindestens einen in einem Zylinderraum geführten Kolben sowie
je eine mit dem Zylinderraum durch ein Einlassventil verbundene Einlassventilkammer
und eine mit dem Zylinderraum durch ein Auslassventil verbundene Auslassventilkammer
aufweist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einer stromaufwärts
angeordneten Verdichterstufe die Einlassventilkammer durch mindestens ein Zusatzventil
mit dem Zylinderraum verbunden ist, das sich im Ruhezustand in einer Öffnungsstellung
befindet und das sich in eine Schließstellung bewegt, wenn der Differenzdruck Δp zwischen
der Auslassventilkammer der am weitesten stromabwärts angeordneten Verdichterstufe
und der Einlassventilkammer der stromaufwärts angeordneten Verdichterstufe einen vorgebbaren
Wert überschreitet.
[0010] Das zu komprimierende Medium tritt mit einem Druck p in die erste Verdichterstufe
ein. Diese erste Verdichterstufe ist gegenüber allen nachfolgenden Verdichterstufen
stromaufwärts angeordnet. In der ersten Verdichterstufe wird das Medium komprimiert
und der nächsten Verdichterstufe zugeleitet, in deres weiterverdichtet wird usw..
Aus der letzten Verdichterstufe, d.h. der am weitesten stromabwärts angeordneten Verdichterstufe,
tritt das Medium schließlich mit dem Druck p+Δp aus.
[0011] Überschreitet der Differenzdruck Δp zwischen dem Eingang und dem Ausgang des mehrstufigen
Verdichters einen vorgebbaren Wert, so wird das erfindungsgemäß vorgesehene Zusatzventil
aus der Öffnungsstellung, in der es sich in der Ruhelage befindet, in eine Schließstellung
bewegt, so dass das Medium in dieser stromaufwärts angeordneten Verdichterstufe komprimiert
wird, d.h. dass die mit dem Zusatzventil ausgestattete, stromaufwärts vor der letzten
Verdichterstufe angeordnete Verdichterstufe arbeitet.
[0012] Wenn der zu füllende Druckbehälter einen vorgegebenen Innendruck erreicht hat, wird
die Befüllung des Druckbehälters beendet, indem das Überstromventil geöffnet wird,
so dass das Medium entweichen kann. Dadurch sinkt der Differenzdruck Δp zwischen dem
Eingang und dem Ausgang des mehrstufigen Verdichters auf einen Wert nahe Null. In
dieser Situation bewegt sich das Zusatzventil erfindungsgemäß in die Öffnungsstellung
zurück, so dass das Medium innerhalb der mit dem Zusatzventil ausgestatteten Verdichterstufe
nicht komprimiert wird, d.h. dass sich die mit dem Zusatzventil ausgestattete, stromaufwärts
vor der letzten Verdichterstufe angeordnete Verdichterstufe im Leerlauf befindet.
[0013] In der Erfindung ist die Austassventilkammer der am weitesten stromabwärts angeordneten
Verdichterstufe mit dem in der Einlassventilkammer mindestens einer stromaufwärts
angeordneten Verdichterstufe vorgesehenen Zusatzventil durch eine Rohrleitung verbunden.
[0014] Vorteilhaft ist eine pneumatische Betätigung des oder der Zusatzventile durch das
zu komprimierende Medium selbst. Hierzu wird die Auslassventilkammer der letzten Verdichterstufe
mit dem in der Einlassventilkammer der stromaufwärts angeordneten Verdichterstufe
oder Verdichterstufen angeordneten Zusatzventil verbunden. Diese Ausgestaltung hat
den Vorteil, dass das Ventil ohne Zwischenschaltung aufwändiger Steuer- oder Regeleinrichtungen
durch den Differenzdruck Δp betätigt wird. Hierdurch kann der erfindungsgemäße Verdichter
kostengünstig hergestellt werden, ist selbstregelnd und wartungsfrei.
[0015] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Auslassventilkammer der am
weitesten stromabwärts angeordneten Verdichterstufe mit den in den Einlassventilkammern
mehrerer stromaufwärts angeordneter Verdichterstufen angeordneten Zusatzventilen durch
eine sich verzweigende Rohrleitung verbunden.
[0016] Sind mehr als zwei Verdichterstufen vorgesehen und mehrere der stromaufwärts angeordneten
Verdichterstufen mit einem Zusatzventil ausgestattet, so muss jeder dieser Verdichterstufen
der Druck, der am Ausgang des Verdichters anliegt, zugeführt werden, wenn die Betätigung
des Zusatzventils auf diesem Wege erfolgen soll. Dies kann beispielsweise dadurch
geschehen, dass von der letzten Verdichterstufe jeweils eine Rohrleitung zu einer
der stromaufwärts angeordneten Verdichterstufen geführt wird. Die Verwendung einer
einzigen, sich verzweigenden Rohrleitung hat demgegenüberden Vorteil, dass der mehrstufige
Verdichter kostengünstiger herstellbar ist und an der letzten Verdichterstufe Bauraum
eingespart wird, da nur eine Rohrleitung angeschlossen werden muss.
[0017] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Feder vorgesehen, die das
Zusatzventil im Ruhezustand und bei einem Differenzdruck Δp, der unterhalb des vorgegebenen
Wertes fiegt, in der Öffnungsstellung hält bzw. aus der Schließstellung in die Öffnungsstellung
bewegt.
[0018] Die Rückstellung des Zusatzventils in die Öffnungsstellung könnte wiederum magnetisch,
elektrisch oder auf eine andere geeignete Weise erfolgen. Hierzu wären wiederum Stellglieder
oder besondere konstruktive Gestaltungen des Zusatzventils erforderlich. Die Rückstellung
des Zusatzventils durch eine Federist demgegenüber mechanisch einfacher zu realisieren
und kostengünstiger herzustellen.
[0019] Vorteilhaft ist die Feder eine Blattfeder mit einem als Gabel ausgeführten Ende,
die in eine dafür vorgesehene Rille des Zusatzventils eingreift Eine weitere vorteilhafte
Lösung ist die Verwendung einer Schraubenfeder, in die das Zusatzventil eingesetzt
ist. Weitere konstruktive Ausgestaltungen unter Verwendung einer oder mehrerer Federn
sind möglich, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
[0020] In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen mindestens zwei Verdichterstufen
ein Wärmetauscher zum Kühlen des kompressiblen Mediums vorgesehen.
[0021] Durch den Wärmeentzug zwischen zwei Verdichterstufen wird dem Effekt entgegengewirkt,
dass das Medium, das sich durch die Kompression erwärmt, sich ausdehnt, so dass sich
der Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtert.
[0022] Die selbsttätige Steuerung des zwischen den jeweifigen Zylinderräumen und ihren zugehörigen
Einlassventilkammern angeordneten Zusatzventil, die nach einer beschriebenen Ausgestaltung
der Erfindung durch den Gegendruck der Rohrleitung (Differenzdruck Δp) erfolgen kann,
ermöglicht eine automatische Umschaltung der betreffenden Verdichterstufen zwischen
Arbeitsbetrieb (Medium wird komprimiert) und Leerlauf (Medium wird nicht komprimiert).
Dabei wird der Tatsache Rechnung getragen, dass zur Sicherstellung der Betätigung
des oder der Zusatzventile die letzte Verdichterstufe selbst nicht über ein solches
Zusatzventil im Leerlauf "undicht° gemacht werden darf.
[0023] Beim Übergang vom Leerlauf zum Lastfall baut zunächst gerade die letzte Verdichterstufe,
wenn auch mit geringerem Volumenstrom, den zur Betätigung des Zusatzventils benötigten
Differenzdruck Δp auf. Dieser Differenzdruck Δp wirkt über eine Rohrleitung auf das
Zusatzventil ein. Erreicht der Differenzdruck Δp einen vorgegebenen Wert, übersteigt
die Druckkraft am Zusatzventil die zugehörige Federkraft der Feder, wodurch das Zusatzventil
schließt und die unteren, d.h. stromaufwärts angeordneten Stufen zu arbeiten beginnen.
[0024] Dieses System hat gegenüber ähnlichen Systemen für einstufige Verdichter den Vorteil,
direkt mit dem Druckniveau am Verdichtersaustritt zur Ansteuerung eines solchen Ventils
auszukommen. Es werden keine zusätzlichen Signalgeber, Steuereinrichtungen oder ähnliches
benötigt. Das System erkennt selbstständig, wann keine Luftförderung erforderlich
ist. Es arbeitet sicher und ist störunanfällig. Das System ist einfach im Aufbau und
daher kostengünstig herstellbar.
[0025] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand von
Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
- Fig. 1
- den erfindungsgemäßen Verdichter im Arbeitsbetrieb und
- Fig. 2
- den erfindungsgemäßen Verdichter im Leerlauf.
[0026] Der mehrstufige Kolbenverdichter zur Verdichtung kompressibler Medien gemäß Ausführungsbeispiel
weist zwei Verdichterstufen 1,2 auf. Jede Verdichterstufe 1,2 besteht aus einem in
einem Zylinderraum 11,21 geführten Kolben (nicht dargestellt) sowie je einer mit dem
Zylinderraum 11,21 durch ein Einlassventil 12,22 verbundenen Einlassventilkammer 13,23
und einer mit dem Zylinderraum 11,21 durch ein Auslassventil 14,24 verbundenen Auslassventilkammer
15,25. Die gegenüber der letzten Verdichterstufe 2 stromaufwärts angeordnete Verdichterstufe
1 weist ein Zusatzventil 16 auf, durch das die Einlassventilkammer 13 mit dem Zylinderraum
11 verbunden ist.
[0027] Die Auslassventilkammer 25 der letzten und damit am weitesten stromabwärts angeordneten
Verdichterstufe 2 ist mit dem in der Einlassventilkammer 13 der ersten, stromaufwärts
angeordneten Verdichterstufe 1 angeordneten Zusatzventil 16 durch eine Rohrleitung
3 verbunden.
[0028] In der Einlassventilkammer 13 der ersten, stromaufwärts angeordneten Verdichterstufe
1 ist eine Feder 18 vorgesehen, die das Zusatzventil 16 im Ruhezustand und bei einem
Differenzdruck Δp zwischen dem Einlass und dem Auslass des mehrstufigen Verdichters,
der unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt, in der Öffnungsstellung hält bzw. aus
der Schließstellung in die Öffnungsstellung bewegt. Der vorgegebene Wert des Differenzdrucks
ist bei diesem Ausführungsbeispiel proportional zur Federrate der Feder 18.
[0029] Die Feder 18 ist eine Blattfeder mit einem als Gabel ausgeführten Ende. Das gabelförmige
Ende der Blattfeder 18 greift in eine dafür vorgesehene Rille 17 des Zusatzventils
16 ein.
[0030] Zwischen den beiden Verdichterstufen 1,2 ist ein Wärmetauscher 4 zum Kühlen des kompressiblen
Mediums vorgesehen.
[0031] Das Zusatzventil 16 ist in Fig. 1 in der Schließstellung dargestellt. Der zu befüllende
Behälter (nicht dargestellt) hat nicht den gewünschten Innendruck. Daher ist das Überströmventil
(nicht dargestellt) geschlossen und der mehrstufige Verdichter arbeitet gegen den
Innendruck des geschlossenen Systems. Der Differenzdruck Δp zwischen der Auslassventilkammer25
der am weitesten stromabwärts angeordneten Verdichterstufe 2 und der Einlassventilkammer
13 der stromaufwärts angeordneten Verdichterstufe 1 hat den vorgegebenen Wert überschritten.
Dieser Differenzdruck liegt durch die Rohrleitung 3 am Zusatzventil 16 an und reicht
aus, um das Zusatzventil 16 gegen die Kraft der Feder 18 in die Schließstellung zu
bewegen. Dadurch ist keine ständige Verbindung zwischen der Einlassventilkammer 13
und dem Zylinderraum 11 der ersten Verdichterstufe 1 gegeben und das Medium wird in
der ersten Verdichterstufe 1 komprimiert.
[0032] In Fig. 2 ist das Zusatzventil 16 in der Öffnungsstellung dargestellt. Der zu befüllende
Behälter (nicht dargestellt) hat den gewünschten Innendruck erreicht. Daher ist das
Überströmventil (nicht dargestellt) geöffnet und der mehrstufige Verdichter arbeitet
nicht gegen den Innendruck des geschlossenen Systems. Der Differenzdruck Δp zwischen
der Auslassventilkammer 25 der am weitesten stromabwärts angeordneten Verdichterstufe
2 und der Einlassventilkammer 13 der stromaufwärts angeordneten Verdichterstufe 1
ist annähernd Null, d.h. der Differenzdruck Δp hat den vorgegebenen Wert unterschritten.
Die Kraft der Feder 18 bewegt das Zusatzventil 16 zurück in die Öffnungsstellung.
Dadurch besteht nun eine ständige Verbindung zwischen der Einlassventilkammer 13 und
dem Zylinderraum 11 der ersten Verdichterstufe 1, so dass das Medium in der ersten
Verdichterstufe 1 nicht komprimiert wird, d.h. die erste Verdichterstufe 1 befindet
sich im Leerlauf.
1. Mehrstufiger Kolbenverdichter zur Verdichtung kompressibler Medien mit mindestens
einer stromaufwärts und mindestens einer stromabwärts angeordneten Verdichterstufe
(1,2), wobei jede Verdichterstufe (1,2) mindestens einen in einem Zylinderraum (11,21)
geführten Kolben sowie je eine mit dem Zylinderraum (11,21) durch ein Einlassventil
(12,22) verbundene Einlassventilkammer (13,23) und eine mit dem Zylinderraum (11,21)
durch ein Auslassventil (14,24) verbundene Auslassventilkammer (15,25) aufweist, dadurch gekennzeichnet dass bei mindestens einer stromaufwärts angeordneten Verdichterstufe (1) die Einlassventilkammer
(13) durch mindestens ein Zusatzventil (16) mit dem Zylinderraum (11) verbunden ist,
das sich im Ruhezustand in einer Öffnungsstellung befindet und das sich in eine Schließstellung
bewegt, wenn der Differenzdruck Δp zwischen der Auslassventilkammer (25) der am weitesten
stromabwärts angeordneten Verdichterstufe (2) und der Einlassventilkammer (13) der
stromaufwärts angeordneten Verdichterstufe (1) einen vorgebbaren Wert überschreitet,
und dass die Auslassventilkammer (25) der am weitesten stromabwärts angeordneten Verdichterstufe
(2) mit dem in der Einlassventilkammer (13) mindestens einer stromaufwärts angeordneten
Verdichterstufe (1) angeordneten Zusatzventil (16) durch eine Rohrleitung (3) verbunden
ist.
2. Mehrstufiger Kolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassventilkammer (25) der am weitesten stromabwärts angeordneten Verdichterstufe
(2) mit den in den Einlassventilkammern (13) mehrerer stromaufwärts angeordneter Verdichterstufen
(1) angeordneten Zusatzventilen (16) durch eine sich verzweigende Rohrleitung (3)
verbunden ist.
3. Mehrstufiger Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (18) vorgesehen ist, die das Zusatzventil (16) im Ruhezustand und bei
einem Differenzdruck Δp, der unterhalb des vorgegebenen Wertes liegt, in der Öffnungsstellung
hält beziehungsweise aus der Schließstellung in die Öffnungsstellung bewegt.
4. Mehrstufiger Kolbenverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (18) eine Blattfeder mit einem als Gabel ausgeführten Ende ist, die in
eine dafür vorgesehene Rille (17) des Zusatzventils (16) eingreift.
5. Mehrstufiger Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei Verdichterstufen (1,2) ein Wärmetauscher (4) zum Kühlen
des kompressiblen Mediums vorgesehen ist.
1. Multi-stage piston type compressor for compressing compressible media, with at least
one compressor stage arranged upstream and at least one arranged downstream (1, 2),
wherein each compressor stage (1,2) has at least one piston guided in a cylinder chamber
(11, 21), as well as in each case an inlet valve chamber (13, 23) connected to the
cylinder chamber (11, 21) by means of an inlet valve (12, 22) and an outlet valve
chamber (15, 25) connected to the cylinder chamber (11, 21) by means of an outlet
valve (14, 24) characterised in that, with at least one compressor stage (1) arranged upstream, the inlet valve chamber
(13) is connected by means of at least one additional valve (16) to the cylinder chamber
(11), which in the state of rest is located in an open position and which moves into
a closed position when the differential pressure Δp between the outlet valve chamber
(25) of the compressor stage (2) located furthest downstream and the inlet valve chamber
(13) of the compressor stage (1) arranged upstream exceeds a predetermined value,
and that the outlet valve chamber (25) of the compressor stage (2) arranged furthest
downstream is connected to the additional valve (16) arranged in the inlet valve chamber
(13) of at least one compressor stage (1) arranged upstream by means of a pipe (3).
2. Multi-stage piston type compressor according to Claim 1,
characterised in that the outlet valve chamber (25) of the compressor stage (2) arranged furthest downstream
is connected to the additional valves (16 arranged in the inlet valve chambers (13)
of a plurality of compressor stages (1) arranged upstream by means of a branched pipe
(3).
3. Multi-stage piston type compressor according to one of Claims 1 or 2,
characterised in that a spring (18) is provided, which holds the additional valve (16) in the state of
rest and under a differential pressure Δp, which is below the specified value, holds
it in the open position or moves it out of the closed position into the open position.
4. Multi-stage piston type compressor according to Claim 3,
characterised in that the spring (18) is a leaf spring with an end designed as a fork, which engages in
a groove (17) of the additional valve (16) provided for this purpose.
5. Multi-stage piston type compressor according to any one of Claims 1 to 4,
characterised in that a heat exchanger (4) for cooling the compressible medium is provided between at least
two compressor stages (1, 2).
1. Compresseur à pistons multi-étagés pour comprimer des fluides compressibles, comprenant
au moins un étage de compression amont et un étage de compression aval (1, 2), chacun
de ces étages (1, 2) possédant au moins un piston guidé dans une chambre de cylindre
(11, 21) ainsi qu'une chambre de soupape d'entrée (13, 23) reliée à la chambre de
cylindre (11, 21) par une soupape d'entrée (12, 22) et une chambre de soupape de sortie
(15, 25) reliée à la chambre de cylindre (11,21) par une soupape de sortie (14, 24),
caractérisé en ce que
sur au moins un étage de compression amont (1), la chambre de soupape d'entrée (13)
est reliée à la chambre de cylindre (11) par au moins une soupape additionnelle (16)
qui en position de repos se trouve en position d'ouverture et qui se déplace en position
de fermeture quand la différence de pression Δp entre la chambre de soupape de sortie
(25) de l'étage de compression (2) situé le plus loin en aval et la chambre de soupape
d'entrée (13) de l'étage de compression amont (1), dépasse une valeur prédéfinie et
que
la chambre de soupape de sortie (25) de l'étage de compression (2) situé le plus loin
en aval est reliée par une conduite tubulaire (3) à la soupape additionnelle (16)
installée dans la chambre de soupape d'entrée (13), d'au moins un étage de compression
amont (1).
2. Compresseur à pistons multi-étages selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
la chambre de soupape de sortie (25) de l'étage de compression (2) situé le plus loin
en aval, est reliée par une conduite tubulaire (3) se ramifiant, aux soupapes additionnelles
(16) disposées dans les chambres de soupapes d'entrée (13) de plusieurs étages de
compression amont (1).
3. Compresseur à pistons multi-étages selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'
un ressort (18) à l'état de repos maintient en position d'ouverture la soupape additionnelle
(16) ou la fait passer de la position de fermeture à la position d'ouverture quand
la différence de pression Δp est inférieure à une valeur prédéfinie.
4. Compresseur à pistons multi-étages selon la revendication 3,
caractérisé en ce que
le ressort (18) est un ressort à lame dont l'extrémité a la forme d'une fourche engagée
dans une rainure (17) prévue pour cela dans la soupape additionnelle (16).
5. Compresseur à pistons multi-étages selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'
un échangeur thermique (4) pour refroidir le fluide compressible est prévu entre au
moins deux étages de compression (1, 2).