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Title:
MULTI-STAGE DIAPHRAGM-TYPE COMPRESSOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/027475
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a multi-stage diaphragm-type compressor (100) and to a method for the multi-stage compression of gases. At least two piston-cylinder units arranged at equal angular intervals from each other around the axis of rotation of a camshaft or eccentric shaft (18). The cylinders (7) are connected to a sump (14) containing a liquid, so that they can be filled with a liquid via supply lines (24, 25, 26, 27) in which return valves (28) are provided. The cylinders (7) are also separated from chambers (8) by a membrane (5) to which a gas inlet and a gas outlet (10) with a return valve, respectively are joined. The individual compressor stages are each formed by a piston-cylinder unit with a membrane (5) and a chamber.

Inventors:
Clair St., Cunningham Christie (95 Beerescourt Road Hamilton, NZ)
Application Number:
PCT/DE2000/003631
Publication Date:
April 19, 2001
Filing Date:
October 10, 2000
Export Citation:
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Assignee:
Winter, Hermann-josef (Zamboninistrasse 41 München, 80638, DE)
Clair St., Cunningham Christie (95 Beerescourt Road Hamilton, NZ)
International Classes:
F04B25/00; F04B27/00; F04B27/02; F04B27/04; F04B45/053; (IPC1-7): F04B45/053; F04B25/00; F04B27/00; F04B27/02; F04B27/04
Foreign References:
US3276673A1966-10-04
US5368451A1994-11-29
DE3704588A11988-08-25
US3208664A1965-09-28
US3354831A1967-11-28
DE3312344A11984-10-11
Attorney, Agent or Firm:
PFENNING, MEINIG & PARTNER GBR (Gostritzer Strasse 61-63 Dresden, 01217, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Mehrstufiger Membranverdichter für Gase, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei KolbenZylindereinheiten (7,13) in jeweils gleichen Winkelabständen zu einander, um die Drehachse einer Nockenoder Exzenterwelle (18) angeordnet sind ; dass die Zy linder (7) zur Befüllung mit einer Flüssigkeit über Zuleitungen (24,25,26,27), in denen Rückschlagventile (28) vorhanden sind, mit einem eine Flüssigkeit enthaltenden Sumpf (14) verbun den sind, dass die Zylinder (7) von Kammern (8) mittels einer Membran (5) getrennt, an die Kam mern (8) jeweils ein Gaseinund ein Gasauslass (9,10) mit jeweils einem Rückschlagventil (33, 34) angeschlossen sind und jeweils eine Kolben Zylindereinheit (7,13) mit Membran (5) und Kam mer (8) eine Verdichterstufe (1, 2,3,4) bil den.
2. Membranverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei KolbenZylindereinheiten (7,13) mit zugehörigen Kammern (8) sich diametral gegenüberliegend, angeordnet sind.
3. Membranverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei KolbenZylindereinheiten (7,13) mit zugehörigen Kammern (8) in einem Winkelabstand von 120° zu einander angeordnet sind.
4. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kolben Zylindereinheiten (7,13) mit zugehörigen Kam mern (8) in einer Ebene in Reihe angeordnet sind.
5. Membranverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vier KolbenZylin dereinheiten (7,13) mit zugehörigen Kammern (8) in einem Winkelabstand von 90° zueinander ange ordnet sind.
6. Membranverdichter nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an die Zuleitung (24) für den vertikal, oben angeordneten Zylin der (7) eine im Sumpf (14) angeordnete Förder pumpe (16) angeschlossen ist.
7. Membranverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderpumpe (16) eine von der Nockenoder Exzenterwelle (18) angetriebene Kolbenoder Membranpumpe ist.
8. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Exzen terwelle (18) jeweils ein Wälzlager (17) für den Antrieb eines Kolbens (13) und/oder der Förder pumpe (16) befestigt ist/sind.
9. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (13) gegen die Nockenoder Exzenterwelle (18) druck kraftbeaufschlagt sind.
10. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (5) einen zentralen versteiften Mittelteil (101) und einen äußeren flexiblen Randbereich (5a) aufweisen.
11. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (5) mit Druckfedern (12) vorgespannt sind.
12. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Rand der Zylinder (7) in Form einer Schulter (11) zur Anlage eines Teiles des zentralen versteiften Bereiches (101) vor Erreichen der unteren Tot punktstellung des jeweiligen Kolbens (13), aus gebildet ist.
13. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der sich an die Schulter (11) anschließende periphere Randbe reich des oberen Randes des Zylinders (7) und der entsprechende Randbereich der Kammer (8), an denen sich in der oberen und unteren Totpunkt stellung des Kolbens (13) der flexible Randbe reich (5a) der Membran (5) anlegt, abgeschrägt sind.
14. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem Zylinder (7) ein Sicherheitsventil (30), dessen Öffnungsdruck größer als der maximal auf tretende Arbeitsdruck im Zylinder (7) ist, ange schlossen ist.
15. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich von der Horizontalen abweichend translatorisch hinund herbewegende Kolben (13), als in Richtung auf die jeweilige Membran (5) offene Hubkolben aus gebildet sind.
16. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der mit der Exzenter, Nockenwelle (18) oder einem Wälzlager (17) in Berührung stehenden Stirnfläche eines Kolbens (13), einer unterhalb der Drehachse der Exzenteroder Nockenwelle (18) angeordneten KolbenZylindereinheit (7,13) eine Entlüftungs bohrung (13.1) ausgebildet ist.
17. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (5) an ihrem äußeren Rand im Gehäuse (6) form und/oder kraftschlüssig gehalten sind.
18. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Kammern (8) um jeweils mindestens 2, Si größer als das Hubvolumen der entsprechenden Kolben Zylindereinheit (7,13) ist.
19. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass an der Wandung der Kammer (8), an der der Gasauslass (10) an geordnet ist, ein in das innere der Kammer (8) ragendes elastisches Element (31) vorhanden ist.
20. Verfahren zur mehrstufigen Verdichtung eines Gases mit einem Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass durch Drehung einer Exzenteroder Nocken welle (18) Kolben (13) in Zylindern (7) zwischen unteren und oberen Totpunkten translatorisch hinund herbewegt werden, dabei mit einer in den Zylindern (7) enthaltenen Flüssigkeit eine Druckdifferenz zu einer Kammer (8), die vom jeweiligen Zylinder (7) mittels einer Membran (5) getrennt ist, erzeugt wird ; infolge der Druckdifferenz bei Bewegung des Kol bens (13) und Bewegung der Membran (5) in Rich tung auf den unteren Totpunkt Gas durch einen Gaseinlass (9) in die Kammer (8) sowie Flüssig keit über eine Zuleitung (24,25,26,27) in die Zylinder (7) angesaugt und infolge der Druckdifferenz bei Bewegung des Kol bens (13), mit der in den Zylinder (7) angesaug ten Flüssigkeit und Bewegung der Membran (5) in Richtung auf den oberen Totpunkt das Gas in der Kammer (8) komprimiert, aus ihr verdrängt und komprimiert zu einer nachfolgenden Verdichter stufe (2,3,4) oder in einen Gasspeicher ge führt wird, wobei ein Rückströmen von Gas und Flüssigkeit mittels Rückschlagventilen (28,33) verhindert und komprimiertes Gas durch das Ventil (34) der nachfolgenden Verdichterstufe oder einem Gas speicher zugeführt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass den Zylindern (7) der Verdichterstufen für den Verdichtungstakt Flüssigkeit im Überschuss zugeführt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem Zylinder (7) einer Verdichterstufe bei Bewegung des Kolbens (13) zum unteren Totpunkt mit einer Förderpumpe (16) eine dosierte Flüssigkeitsmenge zugeführt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass komprimiertes Gas zwischen einzelnen Verdichtungsstufen und/oder nach der letzten Verdichtungsstufe gekühlt wird.
Description:
Mehrstufiger Membranverdichter Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Membranver- dichter sowie ein Verfahren zur mehrstufigen Verdich- tung von Gasen mit einem solchen Membranverdichter.

Bekannterma$en haben Membranverdichter zur Komprimie- rung von Fluiden gegenüber herkömmlichen Kolbenver- dichtern Vorteile, insbesondere bezüglich der Abdich- tung, auftretenden Leckverlusten und daraus resultie- renden Kontaminationsproblemen, die für Kolbenver- dichter typisch sind.

Der Hauptnachteil der bekannten Membranverdichter besteht im Verschlei$ der Membranen, infolge der ständigen Verbiegung des elastischen Membranmaterials (bisher Stahlbleche) durch die wirkenden Kräfte, die entweder direkt mechanisch bzw. auch hydraulisch auf die Membran wirken. Wird die Membran zum Ansaugen und Verdichten eines Fluides indirekt mit einer Hydrau- likflüssigkeit bewegt, treten insbesondere durch eine unvollständige Befüllung mit Hydraulikflüssigkeit oder eine Überfüllung Probleme bezüglich verringerter Förderleistung, geringerem Verdichtungsdruck oder Beschädigung der Membran auf.

Für viele Einsatzfälle und hier insbesondere für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen mit gasförmi- gen Kraftstoffen, wie Erdgas, ist es erforderlich, ein solches Gas, sowohl für die Speicherung, wie auch für die Betankung relativ hoch zu komprimieren, wobei Enddrücke im Bereich von 250 bar gewünscht werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen mehrstufi- gen Membranverdichter für Gase zur Verfügung zu stel-

len, mit dem hohe Kompressionsdrücke, mit hoher Ef- fektivität und ein zuverlässiger Betrieb erreicht werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem mehrstu- figen Membranverdichter gemäß Anspruch 1 gelöst. Vor- teilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.

Der erfindungsgemäße mehrstufige Membranverdichter verwendet je nach gefordertem Kompressionsenddruck eine bestimmte Anzahl von Verdichterstufen, die pneu- matisch miteinander in Reihe verschaltet sind. Dabei werden mindestens zwei solcher Verdichterstufen, die jeweils aus einer Kolben-Zylindereinheit, einer Mem- bran und einer Kammer gebildet sind, verwendet. Die Kolben-Zylindereinheiten sind in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander, radial um die Drehachse einer Nocken-oder Exzenterwelle, mit der die jewei- ligen Kolben translatorisch hin-und herbewegt wer- den, angeordnet. Außerdem sind an die Zylinder Zulei- tungen zur Befüllung der Zylinder mit einer Flüssig- keit angeschlossen. Die Flüssigkeit wird über die Zuleitungen aus einem die Flüssigkeit enthaltenden Sumpf in die Zylinder geführt.

Die Zylinder, in denen die Flüssigkeit aufgenommen ist und die Kammern, in die das zu komprimierende bzw. höher zu komprimierende Gas über einen Gasein- lass und nach Ausführung des Verdichtungstaktes über einen Gasauslass die Kammer wieder verlässt, sind mittels einer Membran fluiddicht getrennt. Dabei sind in den Zuleitungen für die Flüssigkeit und auch in den Gasein-und Gasauslässen Rückschlagventile ange-

ordnet, so dass Flüssigkeitsleckverluste ausschließ- lich zwischen Kolben und Zylinderwandung auftreten können und entsprechend gering sind.

Bei einem erfindungsgemäßen zweistufigen Membranver- dichter sollen die zwei Kolben-Zylindereinheiten mit den zugehörigen Kammern sich diametral gegenüberlie- gend, wie dies auch bei Boxermotoren der Fall ist, angeordnet sein.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, mindestens drei Kolben-Zylindereinheiten mit zugehörigen Kammern in einem Winkelabstand von jeweils 120° oder entspre- chend weniger zueinander anzuordnen.

Werden mehr als zwei Verdichterstufen gefordert, um einen entsprechend hohen Kompressionsenddruck zu er- reichen, können auch mehrere Kolben-Zylindereinheiten mit den zugehörigen Kammern, die jeweils eine Ver- dichterstufe bilden, in einer Ebene (z. B. mit paral- lel zur Horizontalen bzw. Vertikalen angeordneten Zylinderlängsachsen) in Reihe angeordnet werden. Bei- spielsweise bei einem vierstufigen Membranverdichter können aber auch die einzelnen Verdichterstufen mit ihren Kolben-Zylindereinheiten in Winkelabständen von 90° angeordnet werden, so dass beispielsweise zwei Kolben-Zylindereinheiten sich diametral gegenüberlie- gend in horizontaler Richtung und die beiden anderen Kolben-Zylindereinheiten sich ebenfalls diametral gegenüberliegend in vertikaler Richtung ausgerichtet, angeordnet sind.

Die Flüssigkeit, die im Zylinder zur entsprechenden Bewegung der jeweiligen Membran vorhanden sein soll, kann aus einem am Boden eines Gehäuses vorhandenen

Sumpf oder einem zusätzlichen Tank durch die Zulei- tungen zu den einzelnen Zylindern bei der Bewegung des jeweiligen Kolbens in Richtung auf den unteren Totpunkt (unterer Umkehrpunkt) angesaugt und gegebe- nenfalls aufgetretene Leckverluste können entspre- chend ausgeglichen werden. Bei der entgegengesetzten Bewegung des Kolbens, also in Richtung auf den oberen Totpunkt (oberer Umkehrpunkt), verhindert ein in der jeweiligen Zuleitung angeordnetes Rückschlagventil ein Rückströmen der Flüssigkeit. Bevorzugt werden geeignete Hydrauliköle, die zusätzlich auch die Schmierung von Kolben, Zylindern und den Antriebsele- menten sichern und die das elastomere Membran-Materi- al nicht angreifen, eingesetzt.

Dabei sollten die Zylinderbohrung und der vom Kolben zwischen den beiden Totpunkten zurückgelegte Weg so ausgelegt sein, dass das entsprechende Hubvolumen zweier nachfolgender Verdichterstufen im nahezu glei- chen Verhältnis, wie die erreichbaren Druckverhält- nisse am Ende der Verdichtungstakte der beiden Ver- dichterstufen zugeordnet sein soll.

Zur Verringerung von Verschleiß, Reibung und Reibver- lusten ist es günstig, auf einer Exzenterwelle Wälz- lager zu befestigen, wobei jedes dieser Wälzlager an einem Kolben einer Verdichtungsstufe angreift und dessen translatorische Hin-und Herbewegung steuert.

Insbesondere für die Bewegung der Kolben in Richtung auf den unteren Totpunkt (bottom dead center-BDC) ist es vorteilhaft, den jeweiligen Kolben in dieser Richtung wirkend, mit einer Druckkraft zu beaufschla- gen, was im einfachsten Fall mit einer entsprechend im Zylinder angeordneten und fixierten Druckfeder

erreicht werden kann.

Günstig ist es außerdem, Membranen zu verwenden, die in ihrem Zentrum einen zentralen versteiften Bereich, beispielsweise eine mit dem elastomeren Teil der Mem- bran verbundene Metallplatte, aufweisen. Der Bereich der Membran um den zentralen versteiften Bereich bleibt weiterhin elastisch, und der periphere äußere Rand der Membran sollte so geformt sein, dass er im Gehäuse des Membranverdichters form-und/oder kraft- schlüssig gehalten werden kann.

Insbesondere, wenn das Befüllen bzw. Nachfüllen der Zylinder mit Flüssigkeit allein durch Ansaugen infol- ge der Kolbenbewegung in Richtung auf den unteren Totpunkt erfolgt, ist es zur Sicherung eines ausrei- chenden Flüssigkeitsvolumens im Zylinder vorteilhaft, am oberen Rand des jeweiligen Zylinders eine Schulter auszubilden, die orthogonal zur Bewegungsrichtung des Kolbens ausgerichtet ist und auf der sich der zentra- le versteifte Bereich der Membran vor Erreichen der unteren Totpunktstellung anlegt. Danach kann bis zum Erreichen des unteren Totpunktes durch die Zuleitung, deren Öffnung in den Zylinder unterhalb des oberen Randes des Zylinders angeordnet ist, Flüssigkeit in den Zylinder angesaugt werden. Eine solche Schulter kann aber auch in Form eines Konus ausgebildet sein, wobei in diesem Fall der zentrale versteifte Bereich der Membran ebenfalls entsprechend komplementär ko- nisch ausgebildet werden sollte.

Für bestimmte Anordnungen für Kolben-Zylindereinhei- ten und hier solchen, die oberhalb der Drehachse der Nocken-bzw. Exzenterwelle angeordnet sind, kann es vorteilhaft sein, die Befüllung des Zylinders mit

Flüssigkeit mit Hilfe einer zusätzlichen Förderpumpe allein oder zusätzlich und möglichst in dosierter Form durchzuführen.

In diesem Fall kann eine entsprechende Förderpumpe im Flüssigkeitssumpf angeordnet sein, und eine Membran- oder Kolbenpumpe, die hierfür eingesetzt wird, kann ebenfalls über die Nocken-oder Exzenterwelle ange- trieben werden, wobei die Befüllung mit einem be- stimmten jeweils gleichen Flüssigkeitsvolumen jeweils bei der Bewegung des Kolbens in Richtung auf den un- teren Totpunkt erfolgt.

Zur Schonung des peripheren, elastischen Bereichs der Membran und zur Verdrängung von Flüssigkeit ist es günstig, den sich an die Schulter bzw. einen Rand ohne Schulter anschließenden Teil des Zylinders abzu- schrägen, was sinngemäß auf den entsprechenden Rand- bereich der Kammer für das zu komprimierende Gas zu- trifft. An diesen abgeschrägten Rändern kann sich der flexible Randbereich der Membran in der unteren Tot- punktstellung und in der oberen Totpunktstellung (top dead center-TDC) anlegen. Bei der Bewegung des ent- sprechenden Kolbens in Richtung auf den unteren Tot- punkt legt sich der flexible Randbereich der Membran zuerst an die Schräge an und kann sukzessive die dort noch vorhandene Flüssigkeit in den Zylinder zurück verdrängen.

Aus Sicherheitsgründen kann an den Zylinder ein Si- cherheitsventil angeschlossen werden, dessen Öffnungsdruck größer als der maximal zu erwartende bzw. im Zylinder auftretende Arbeitsdruck der Flüs- sigkeit ist.

Vorteilhaft kann es außerdem sein, auch die Membra- nen, z. B. mit in den Zylindern angeordneten und fi- xierten Druckfedern, vorzuspannen. Diese Federn soll- ten vorzugsweise an den zentralen versteiften Bereich der Membranen angreifen.

Vorteilhaft kann es außerdem sein, solche Kolben, die abweichend von der horizontalen Ebene translatorisch hin-und herbewegt werden, als in Richtung auf die jeweilige Membran offene Hubkolben auszubilden, so dass sie tassenförmig ausgebildet sind und im gebil- deten Hohlraum die Flüssigkeit enthalten ist. So kann die Masse der Kolben reduziert werden.

Bei Kolben, die im Wesentlichen unterhalb der Dreh- achse der Exzenter-oder Nockenwelle angeordnet sind, sollte in der nach oben weisenden Stirnfläche, also der Stirnfläche, die gegen die Nocken-, Exzenterwelle oder ein darauf befestigtes Wälzlager drückt, eine Entlüftungsbohrung mit kleinem Durchmesser ausgebil- det sein, durch die nur geringfügig Flüssigkeitsleck- verluste austreten, im Zylinder vorhandene Luft aber entweichen kann.

So kann Gas in mehreren Verdichtungsstufen mit einem erfindungsgemäßen Membranverdichter komprimiert wer- den, in dem beispielsweise mit einem Elektromotor ge- gebenenfalls aber ein Getriebe eine Exzenter-oder Nockenwelle angetrieben wird. Durch die Drehung die- ser Welle werden die Kolben der entsprechend verwen- deten Verdichterstufen zwischen dem oberen und unte- ren Totpunkten translatorisch hin-und herbewegt.

Dabei kann durch entsprechende Druckdifferenzen im jeweiligen Zylinder, in dem Flüssigkeit enthalten ist und der mittels einer Membran vom Zylinder getrennten

Kammer entsprechend der Bewegungsrichtung des Kolbens Gas angesaugt oder komprimiert verdrängt werden. So wird bei der Bewegung des Kolbens in Richtung auf den unteren Totpunkt, also in Richtung auf die Drehachse der Nocken-oder Exzenterwelle und gleichzeitige Bie- gung der Membran in diese Richtung, das Volumen der Kammer vergrößert und das Gas durch den Gaseinlass und ein darin oder daran vorhandenes Rückschlagventil in die Kammer gesaugt. Nach Bewegungsrichtungsumkehr des Kolbens wirkt die Flüssigkeit durch Verringerung des Volumens im Zylinder gegen die Membran und diese wird in die gleiche Richtung, in die sich auch der Kolben bewegt, gebogen, so dass das Kammervolumen verringert und demzufolge das darin enthaltende Gas komprimiert und aber den Gasauslass, in dem ebenfalls ein Rückschlagventil angeordnet ist, verdrängt wird.

Von dort kann es durch einen entsprechend weiteren Gaseinlass in eine Kammer einer nachfolgenden Ver- dichtungsstufe, in der eine weitere Komprimierung des Gases erreicht wird, oder aus der letzten Verdichter- stufe in einen Gasspeicher gepresst werden.

Bei der Bewegung der Kolben der einzelnen Verdichter- stufen in Richtung auf den unteren Totpunkt kann Flüssigkeit über jeweils eine Zuleitung in den Zylin- der gesaugt werden, wobei auch hier in den Zuleitun- gen Rückschlagventile, die ein Zurückströmen von an- gesaugter Flüssigkeit verhindern, angeordnet sein sollten.

Durch entsprechende Ausbildung und Anordnung der Aus- trittsöffnung aus den Zuleitungen, der Membrane und Zylinder kann gesichert werden, dass im Zylinder ins- besondere beim Verdichtungstakt immer ein ausreichen- des Flüssigkeitsvolumen, möglichst im Überschuss ent-

halten ist, so dass sämtliche Leckverluste des vorhe- rigen Kompressionstaktes ausgeglichen werden können.

Ein in der Praxis vorhandener geringer Überschuss kann bei Erreichen des oberen Totpunktes aber ein Sicherheitsventil entweichen.

Dieser Effekt kann selbstverständlich auch auf ande- rem Wege mit Elementen, wie z. B. mit der bereits er- wähnten Förderpumpe erreicht werden.

An den Gasverbindungsleitungen, über die die einzel- nen Verdichterstufen und ein Gasspeicher angeschlos- sen werden können, sollten vorteilhafterweise Druck- sensoren vorhanden sein, mit denen nach Über-bzw. nach Unterschreiten vorgebbarer Maximal-bzw. Mini- maldruckwerte eine Fehleranzeige oder eine Abschal- tung des Antriebes für den Membranverdichter erreich- bar sind.

Normalerweise ist ein mit einem solchen Element ge- förderter Überschuss lediglich für die erste Verdich- tungsstufe erforderlich. In den anderen Verdichtungs- stufen können Leckverluste durch Ansaugen von Flüs- sigkeit aus einem Sumpf mittels eines, bei Bewegung des Kolbens zum unteren Totpunkt erzeugten Unter- druckes ausgeglichen werden.

Es wäre Ideal, die Kammer genau auf das Fördervolumen abzustimmen. Ist die Kammer aber nur geringfügig kleiner, kann ein höherer Hydraulikdruck auftreten.

Zur Verhinderung eines solchen Risikos und um ver- tretbare Herstellungstoleranzen zu ermöglichen, kann es außerdem vorteilhaft sein, das Volumen der Kammer der Verdichterstufen um mindestens 2,5t, bevorzugt um ca. 10% größer zu wählen, als das Hubvolumen der je-

weiligen Kolben-Zylindereinheit, wodurch ebenfalls gesichert werden kann, dass der Verdichtungstakt pro- blemlos durchgeführt werden kann.

Zur Vermeidung, dass die Membran den Gasauslass ver- schließt, bevor das komprimierte Gas aus der Kammer beim Verdichtungstakt vollständig verdrängt worden ist, kann an der Innenwandung der Kammer, an der der Gasauslass angeordnet ist, ein elastisches Element, beispielsweise ein Gummipuffer, der in das Innere der Kammer hineinragt, eingesetzt werden, gegen das die Membran am Ende des Verdichtungstaktes gedrückt wird.

Vorteilhafterweise kann komprimiertes Gas gekühlt werden, wobei eine Kühlung nachfolgend an mindestens eine Verdichterstufe erfolgen kann. Dabei kann eine zwischen bzw. im Anschluß an mindestens eine Verdich- terstufe vorhandene Gasführungsleitung, durch die das entsprechend komprimierte Gas geführt wird, gegebe- nenfalls mit Hilfe von zusätzlichen Wärmetauschern luft-oder wassergekühlt werden.

Zur Detektion von Membrandefekten kann in einer Lei- tung für komprimiertes Gas einen Sensor bzw. Detektor vorgesehen werden, mit dem erkannt werden kann, ob im komprimierten Gas Öl mitgeführt wird. Ein solcher Sensor kann beispielsweise eine Lichtquelle mit ent- sprechend zugehörig angeordnetem optischen Detektor sein, mit dem die Lichtintensität des von der Licht- quelle abgestrahlten Lichtes gemessen werden kann.

Befindet sich Flüssigkeit, z. B. Öl im komprimierten Gas, sinkt der Messwert für die Lichtintensität und ein Membrandefekt kann diagnostiziert werden. Vor- teilhafterweise ist ein solcher Sensor nachfolgend an den Gasauslass der letzten Verdichterstufe angeord-

net.

Der erfindungsgemäße Membranverdichter zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Verdichtern durch eine siche- re Trennung von Gas und Flüssigkeit oder anderen kon- taminierenden Bestandteilen aus. Er erfordert insbe- sondere wegen der günstigen Schmierungsverhältnisse an allen beweglichen Teilen geringere Fertigungstole- ranzen.

Er kann einfach montiert werden, so dass geringe Fer- tigungskosten erreichbar sind. Bedingt durch den ein- fachen Aufbau und Montage können auch gegebenenfalls erforderliche Reparaturen einfach und schnell ausge- führt werden, wobei durch Drehen des Gehäuses um die Welle nach Öffnen des Gehäuses bzw. Gehäuseteilen, die Zugänglichkeit der einzelnen Elemente erreicht werden kann.

Obwohl das komprimierte Gas ölfrei ist, wird durch den Aufbau und das eingesetzte Funktionsprinzip eine sichere und ausreichende Schmierung, insbesondere auch für die translatorisch hin und her bewegten Kol- ben, mit dem erhöhten Flüssigkeitsdruck gesichert.

Bei den Kolben kann auf die üblicherweise verwendeten Kolbenringe verzichtet werden.

Allein durch Variation der Antriebsdrehzahl können gewünschte Volumenströme erreicht werden. Zur Beein- flussung der Antriebsdrehzahl kann neben der Regelung eines Elektromotors auch ein Getriebe zwischenge- schaltet werden, was im einfachsten und kosten- günstigsten Fall ein Riemengetriebe sein kann. Bei hohen geforderten Volumenströmen kann es erforderlich sein, eine Vorverdichtung des zu komprimierenden Ga-

ses vor der ersten Verdichterstufe, beispielsweise mit einem einfachen Radialverdichter, vorzusehen.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigen : Figur 1 eine Schnittdarstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Membranverdichters ; Figur la einen gegenüber dem in Figur 1 gezeigten Beispiel modifizierten Membranverdichter in einer Schnittdarstellung ; Figur 2 eine um 90° gedrehte Ansicht, in einer Schnittdarstellung, des in Figur 1 gezeig- ten Beispiels ; Figur 2a das in Figur la gezeigte Beispiel in einer um 90° gedrehten Ansicht in einer Schnitt- darstellung ; Figur 3 eine Förderpumpe für Flüssigkeit in drei verschiedenen Betriebsstellungen ; Figur 4 schematische Darstellungen von Zylinder und Kammer trennenden Membranen in unterschied- lichen Betriebszuständen ; Figur 5 ein Beispiel eines Gaseinlassventiles ; Figur 6 ein Beispiel eines Gasauslassventiles ; Figur 7 Beispiele von Randausbildungen der Membran

zur kraft-und formschlüssigen Fixierung der Membran in einem Gehäuse ; Figur 8 ein Beispiel eines druckgesteuerten Sicher- heitsventiles.

Mit den Figuren 1, la, 2 und 2a sind Beispiele eines erfindungsgemäßen Membranverdichters 100 mit jeweils vier Verdichtungsstufen 1 bis 4 schematisch in unter- schiedlichen Ansichten dargestellt. Bei einem Ver- dichtungsverhältnis in den einzelnen Verdichtungsstu- fen von jeweils 1 : 4 kann ein Enddruck von ca. 256 bar, bei einem Ausgangsdruck, der an einem Gaseinlass 9 an der Verdichtungsstufe 1 von nur wenigen kPa aber dem Atmosphärendruck anliegt, erreicht werden.

Bei den in den Figuren 1, la, 2 und 2a gezeigten Bei- spielen sind die die Verdichtungsstufen bildenden Kolben-Zylindereinheiten mit Membran 5 und den Kam- mern 8 in einem Winkelabstand von jeweils 90° um die Drehachse der hier verwendeten Exzenterwelle 18 an- geordnet.

In sämtlichen Figuren wurde auf die Darstellung der Verbindungsleitungen für das Gas, über die das kom- primierte Gas von Verdichtungsstufe zu Verdichtungs- stufe geführt wird, verzichtet. In den in Figuren 1 und la gezeigten Ansichten, sind lediglich die Ver- dichtungsstufen 1 und 2 erkennbar, die sich diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Dementsprechend kann gesichert werden, dass zu Zeitpunkten, an denen sich der Kolben 13 der hier vertikal oben angeordne- ten Verdichtungsstufe 1 im unteren Totpunkt befindet, also der Ansaugtakt ausgeführt worden ist, sich der Kolben 13 der Verdichtungsstufe 2 in seinem oberen

Totpunkt befindet, also der Verdichtungstakt ausge- führt worden ist. Sinngemäß trifft dies auch auf die in den Figuren 2 und 2a erkennbaren Verdichtungsstu- fen 3 und 4 zu.

Die Exzenterwelle 18 ist mit Wälzlagern im Gehäuse 6 des Membranverdichters 100 gelagert, und auf dem ex- zentrisch ausgebildeten Teil der Exzenterwelle 18 sind Wälzlager 17 aufgebracht, wobei mit jedem der Wälzlager 17 ein Kolben 13 einer Verdichtungsstufe 1 bis 4 mit einer Stirnfläche in Kontakt steht und bei Drehung der Exzenterwelle 18 translatorisch hin-und herbewegt werden kann.

Zur Sicherung eines innigen Kontaktes der Stirnfläche des jeweiligen Kolbens 13 mit der Oberfläche seines zugeordneten Wälzlagers 17 und hier insbesondere für die Rückbewegung zum jeweiligen unteren Totpunkt, sind in den Zylindern 7 Federn 35 fixiert, die den Kolben 13 mit einer entsprechenden Druckkraft in die gewünschte Richtung beaufschlagen.

An der Exzenterwelle 18 sind beidseitig zu dem exzen- trisch ausgebildeten Teil Ausgleichsmassen 32 ausge- bildet oder daran befestigt, um Unwuchten beim Drehen der Exzenterwelle 18 zu vermeiden.

An jeder Kammer 8 einer Verdichtungsstufe 1 bis 4 ist ein Gaseinlass 9 und ein Gasauslass 10 vorhanden, in denen entsprechend der gewünschten Strömungsrichtung des Gases Rückschlagventile 33 und 34 angeordnet sind.

Im unteren Teil des Gehäuses 6 ist ein Sumpf 14 einer geeigneten und für den Betrieb des Membranverdichters

erforderlichen Flüssigkeit, beispielsweise einem Hy- drauliköl, mit einem bestimmten Ölstand 15 vorhanden, aus dem die Flüssigkeit aber die Zuführungen 24,25, 26 und 27 in die Zylinder 7, der einzelnen Verdich- tungsstufen 1 bis 4 gelangen kann. In jeder der Zu- führungen 24,25,26 und 27 ist ein Rückschlagventil 28, mit dem das Rückströmen der Flüssigkeit aus dem Zylinder 7 in den Sumpf 14 verhindert werden kann, angeordnet.

Bei den hier gezeigten Beispielen von Membranverdich- tern 100 erfolgt die Förderung der Flüssigkeit aus dem Sumpf 14 in die Zylinder 7 in die Verdichtungs- stufen 2,3 und 4, ausschließlich durch Saugwirkung während der Ansaugtakte, d. h. bei Bewegung des jewei- ligen Kolbens 13 in Richtung auf den jeweiligen unte- ren Totpunkt.

Bei der hier vertikal oben am Gehäuse 6 angeordneten Verdichtungsstufe 1 erfolgt die Förderung der Flüs- sigkeit bzw. des Hydrauliköles mit Hilfe der am Boden des Gehäuses 6, im Bereich des Sumpfes 14 angeordne- ten Kolbenpumpe 16, die ebenfalls von der Exzenter- welle 18 aber ein Wälzlager 17 angetrieben wird. Da- bei ist die Kolbenpumpe 16 so angeordnet, dass die Flüssigkeit bei Bewegung des Kolbens 21, wie in der rechten Darstellung von Figur 3 gezeigt, in den Zy- linder 7 der Verdichtungsstufe 1 gefördert wird, wenn sich der Kolben 13 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt bewegt. Mit einer solchen Kolbenpumpe 16 kann ein definiertes Flüssigkeitsvolumen bei jedem Zyklus in den Zylinder 7 der Verdichtungsstufe 1 ge- fördert werden, um insbesondere die zwischen Kolben- und Zylinderwand auftretenden Leckverluste auszuglei- chen und zu sichern, dass der Zylinder 7 immer aus-

reichend mit Flüssigkeit gefüllt ist.

Nach Ausführung des Ansaugtaktes erfolgt für die je- weilige Verdichtungsstufe 1 bis 4 durch entgegenge- setzte Bewegung des Kolbens 13 in Richtung auf seinen oberen Totpunkt die Ausführung des Verdichtungstak- tes, wobei die im Zylinder 7 vorhandene Flüssigkeit gegen die den Zylinder 7 und die Kammer 8 trennende Membran 5 wirkt und sich die Membran 5 auf die andere Kammerwand zu bewegt, so dass das Kammervolumen ver- ringert, das darin enthaltene Gas komprimiert und über den Gasauslass 10 entweder in die nachfolgende Verdichtungsstufe oder in einen an die Verdichtungs- stufe 4 angeschlossenen Gasspeicher verdrängt wird.

Bei den hier gezeigten Beispielen wurden Membranen 5 aus Elastomer eingesetzt, die einen zentralen ver- steiften Bereich 101, beispielsweise eine Metallplat- te aufweisen. Der sich daran anschließende äußere Randbereich 5a ist dadurch, wie dies insbesondere in Figur 4 erkennbar wird, flexibel und elastisch.

Am jeweils oberen Rand der Zylinder 7 ist eine Schul- ter 11 ausgebildet, an der sich bei Ausführung des Ansaugtaktes, also Bewegung des jeweiligen Kolbens 13 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt, bevorzugt vor dessen Erreichen der zentrale versteifte Bereich 101 der Membran 5 anlegt. Dadurch kann in dem so ver- schlossenen Zylinder 7, bei Weiterbewegung des Kol- bens 13 zum unteren Totpunkt, ein Unterdruck gene- riert und Flüssigkeit in den Zylinder 7 angesaugt werden.

Der sich an die Schulter 11 anschließende Bereich des Zylinderrandes ist abgeschrägt ausgebildet, so dass

sich der flexible Randbereich 5a der Membran 5 bei Ausführung des Ansaugtaktes daran schonend anlegen kann und die dort noch befindliche Flüssigkeit sicher verdrängt wird. Zur Schonung des flexiblen Randberei- ches 5a ist auch der Rand der Kammer 8 entsprechend abgeschrägt ausgebildet.

Insbesondere an der Verdichtungsstufe 1 ist an der oberen Kammerwand ein elastisches Element, hier ein Gummipuffer 31 angeordnet, der zumindest soweit in das Innere der Kammer 8 hineinragt, dass bei Ausfüh- rung des Verdichtungstaktes, der Gasauslass 10 nicht vor der vollständigen Verdrängung des komprimierten Gases aus der Kammer von der Membran 5 verschlossen wird.

An der Verdichtungsstufe 1 ist auch ein einstellbares Sicherheitsventil 30, das an den Zylinder 7 ange- schlossen ist, dargestellt. Mit einem solchen Sicher- heitsventil 30 können Überdrücke im Zylinder 7 ver- mieden und überschüssiges Flüssigkeitsvolumen abge- führt werden, wenn der Öffnungsdruck des jeweiligen Sicherheitsventils 30 geringfügig (z. B. 0,5 bar) über dem maximal zulässigen Druck im Zylinder 7 und dem- entsprechend auch dem Maximaldruck in der Kammer 8 bei Ausführung des Verdichtungstaktes, liegt. Selbst- verständlich können solche Sicherheitsventile 30 auch an allen vier Verdichtungsstufen 1 bis 4 vorhanden sein.

Bei den hier gezeigten Beispielen sind die Kolben 13 der Verdichtungsstufen 1 und 2 tassenförmig und hohl ausgebildet. Beim sich unterhalb der Drehachse der Exzenterwelle 18 angeordneten Kolben 13, der Verdich- tungsstufe 2 ist in seiner hier oberen Stirnfläche,

die in Richtung auf die Exzenterwelle 18 weist, eine Entlüftungsbohrung 13.1 mit einem Durchmesser von ca.

0,3 mm ausgebildet, mit der das Entweichen von einge- drungener Luft nach Betriebspausen des Membranver- dichters 100 erreicht werden kann, die aber wegen der so kleinen Entlüftungsbohrung 13.1 nur einen geringen Flüssigkeitsleckverlust zulässt.

Bei der Membran 5, die für die Verdichtungsstufe 1 verwendet worden ist, wurde auf eine Feder 12, mit der die Membran 5 vorgespannt wird, verzichtet, da eine Kraftwirkung in Richtung auf den unteren Tot- punkt, allein schwerkraftbedingt erreicht werden kann. Bei den anderen Verdichtungsstufen, sind an den Membranen 5 entsprechende Federn 12 vorhanden, um diese Bewegung zu unterstützen.

Das in den Figuren la und 2a gezeigte Beispiel eines Membranverdichters 100 unterscheidet sich gegenüber dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Beispiel im We- sentlichen durch die Anordnung der Zuführung 25 für Flüssigkeit in den Zylinder 7 der Verdichtungsstufe 2 und die zusätzliche Darstellung von Gaseinlass und -auslass 9 und 10 mit Rückschlagventilen 33 und 34 an der Verdichtungsstufe 1.

In den Figuren 2 und 2a ist die Förderpumpe 16 in versetzter Anordnung dargestellt, um das Funktions- prinzip deutlicher herauszustellen. Tatsächlich ist die Kolbenpumpe 16 fluchtend zum Kolben 13 der Ver- dichtungsstufe 2 unter der Drehachse der Exzenterwel- le 18 angeordnet.

In Figur 1 rechts unten und der Figur 3 ist der Auf- bau einer solchen Kolbenpumpe 16 schematisch darge-

stellt. Der Kolben 21 ist im Zylinder 20 geführt und wird mit der Druckfeder 22 gegen ein Wälzlager 17 vorgespannt, so dass sich der Kolben bei Drehung der Exzenterwelle auf und ab bewegen kann, wie dies in den verschiedenen Darstellungen von Figur 3 erkennbar ist. In der in Figur 3 links dargestellten Position befindet sich der Kolben 21 in seiner obersten Posi- tion und die Zuführöffnung 19 ist frei gegeben. Durch Weiterdrehen der Exzenterwelle wird der Kolben 21 nach unten bewegt, die Zuführöffnung 19 verschlossen und die im Zylinder 20 enthaltene Flüssigkeit durch das am unteren Teil des Zylinders 20 angeordnete Rückschlagventil 23 in die Zuführung 24 und von dort aber das weitere Rückschlagventil 28 in den Zylinder 7 der Verdichtungsstufe 1 gefördert. Die Zuführöff- nung 19 ist unterhalb des Ölstandes 15 angeordnet.

Die in den Figuren 1, la, 2 und 2a gezeigten Beispie- le können aber auch dahingehend modifiziert werden, dass nicht wie hier gezeigt ein Vierstufen-Membran- verdichter 100, sondern lediglich ein zweistufiger Membranverdichter 100 ausgebildet wird. Dazu kann auf die Verdichtungsstufen 1 und 2 oder die Verdichtungs- stufen 3 und 4 verzichtet werden.

Die Membranen 5 bestehen aus einem geeigneten flexi- blen Material, wie beispielsweise ein solches, das unter der Handelsbezeichnung"Viton"erhältlich ist und die ansonsten flexible Membran 5 ist in ihrem zentralen Bereich 101 mit der bereits erwähnten Me- tallscheibe oder in anderer Form versteift, so dass die Membran 5 in diesem kritischen Bereich ausrei- chend stabil ist und insbesondere bei hohen Drücken den entsprechend wirkenden hohen Kräften widerstehen kann. Außerdem sichert der zentrale versteifte Be-

reich 101, dass beim Anlegen an die Schulter 11 keine weitere Durchbiegung der Membran auftreten kann.

Mit den Federn 12 wird eine Kraftwirkung auf die Mem- branen 5 ausgeübt, so dass bei Ausführung des Ansaug- taktes der flexible Randbereich 5a in Richtung auf die Schulter 11 abrollt und dass die sich zwischen dem flexiblen Randbereich 5a und der abgeschrägten Zylinderwand befindliche Flüssigkeit vollständig ver- drängt wird, bevor der zentrale versteifte Bereich 101 auf der Schulter 11 aufsitzt und so Ölverluste vermieden werden können.

In Figur 4 sind verschiedene Positionen der Membran 5 dargestellt, die unterschiedlichen Betriebszuständen einer Verdichterstufe entsprechen. Dabei zeigen die Figuren 4a bis 4d eine Membran 5 allein, wie sie bei- spielsweise bei der Verdichterstufe 1 einsetzbar ist und die Figuren 4e bis 4h eine Membran 5 mit zusätz- licher Feder 12.

Bei den Figuren 4a und 4e befindet sich die Membran 5 kurz vor bzw. am Ende des Verdichtungstaktes, bei dem sich der jeweilige Kolben 13 kurz vor bzw. an seinem oberen Totpunkt befindet.

Nach Bewegungsrichtungsumkehr des Kolbens 13 in Rich- tung auf seinen unteren Totpunkt verringert sich der Druck im Zylinder 7 und die Membran bewegt sich, wie mit den Figuren 4b bis 4d und 4f bis 4h in die glei- che Richtung. Dabei wird deutlich, dass diese Bewe- gung mittels der Feder 12 unterstützt und beschleu- nigt werden kann. Bei dieser Bewegung der Membran 5 legt sich der flexible Randbereich 5a an die Schräge der Zylinderwand an, verdrängt dort gegebenenfalls

noch vorhandene Flüssigkeit durch den Spalt zwischen versteiftem Bereich 101 der Membran 5 und der Schul- ter 11, bis sich der versteifte zentrale Bereich 101 abdichtend an die Schulter 11 anlegt. Zu diesem Zeit- punkt ist die Kammer 8 durch Ansaugen von Gas voll- ständig befüllt und bei Weiterbewegung des Kolbens 13 in Richtung auf den unteren Totpunkt verringert sich der Druck im Zylinder 7, so dass durch die jeweilige Zuführung 24,25,26 und 27 Flüssigkeit in den Zylin- der 7 angesaugt werden kann.

Die Figur 5 zeigt ein Beispiel eines Einlassventiles 33 für Gas in einer Explosions-und einer Schnittdar- stellung.

Figur 6 zeigt entsprechend ein Auslassventil für Gas in einer Explosions-und Schnittdarstellung.

Beispiele für die Ausbildung des radial äußeren Ran- des der Membran 5, der kraft-und/oder formschlüssig im Gehäuse 6 gehalten werden kann, sind in Figur 7 dargestellt. Dabei ist insbesondere das rechts darge- stellte Beispiel zu bevorzugen.

In der Figur 8 ist ein Beispiel eines druckgesteuer- ten Sicherheitsventiles 30 dargestellt, bei dem zur Steuerung sowohl der Druck in der Kammer 8, wie auch im Zylinder 7, der jeweiligen Verdichtungsstufe ge- nutzt werden kann.




 
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