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Einrichtung zur stufenlosen Liefermengenregelung für Kolbenverdichter
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur stufenlosen Liefermengenregelung für Kolbenverdichter, mit einem Zuschaltraum, dessen Volumen, z. B. durch einen Verstellkolben, stufenlos veränderbar ist, wobei in den Kraftweg der Verstellung ein Druckumsetzgefäss mit durch den Gasdruck beaufschlagter Druckflüssigkeit eingeschaltet ist.
Die Regelung der Liefermenge von Kolbenverdichtern durch Anwendung eines Zuschaltraumes mit stufenlos veränderbarem Volumen hat bekanntlich den Vorteil grosser Betriebssicherheit, weil keine im Hubtakt des Verdichterkolbens bewegte Regelteile vorhanden sind, und arbeitet ausserdem weitgehend verlustfrei. Es ergeben sich aber Schwierigkeiten bei der Verstellung des Volumens des Zuschaltraumes, weil einerseits verhältnismässig grosse Kräfte hiezu erforderlich sind, insbesondere bei hohen Förderdrücken, und anderseits Schwingungen der verstellbaren Regelteile, die dem im Hubtakt schwankenden Verdichterdruck ausgesetzt sind, verhindert werden müssen.
Bei den bekannten Regelungseinrichtungen dieser Art ist der Zuschaltraum meist als Zylinder mit verstellbarem Kolben ausgebildet, wobei der Kolben gewöhnlich mit Hilfe einer Schraubspindel von Hand verstellt wird. Zufolge der erforderlichen grossen Verstellkräfte ist die Verstellung jedoch schwierig und überdies ist eine selbsttätige Regelung bei vorgesehener Handbetätigung nicht möglich.
Gemäss einer weiteren bekannten Anordnung wurde daher versucht, diese Schwierigkeiten durch hydraulische Betätigung des Verstellkolbens zu beseitigen. Dabei ist aber nachteilig, dass die naheliegenderweise von der Schmierölpumpe des Verdichters gelieferten öldrücke verhältnismässig gering sind. Es muss daher in den meisten Fällen eine eigene ölpumpe verwendet werden, die wieder zusätzliche Anschaffungskosten und zusätzliche Betriebsstörungen verursacht.
Es ist auch schon eine selbsttätig arbeitende Zuschaltraum-Regelung bekannt, bei der das geförderte Druckgas durch einen ringspaltförmigen Zwischenraum zwischen der Wandung einer Kammer und dem verbreiterten Kopf einer mit dem Verstellkolben des Zuschaltraumes verbundenen Kolbenstange hindurchgeführt wird. Die Verstellung des Kolbens des Zuschaltraumes erfolgt dabei durch die bei jedem Druckhub auf die Kolbenstange wirkende Kraft in Abhängigkeit von der geförderten Gasmenge. Um nachteilige Schwingungen des Kolbens zu vermeiden, ist dieser auf seiner Rückseite von Drucköl beaufschlagt, welches unter Zwischenschaltung einer Drosselstelle aus einem Behälter zugeführt wird, der über eine mit dem Zuschaltraum verbundene Leitung durch den im Zuschaltraum herrschenden Gasdruck beaufschlagt ist.
Diese bekannte Regelung hat die Aufgabe, bei sich änderndem Ausgangsdruck ein zu grosses Ansteigen der Fördermenge und damit eine Überlastung des Kompressors und der Antriebsmaschine zu vermeiden. Eine Steuerung und Einstellung der Fördermenge nach Bedarf ist mit dieser bekannten Einrichtung jedoch nicht möglich.
Die Erfindung hat eine dem jeweiligen Bedarf entsprechend beliebig steuerbare Regelungseinrichtung zum Gegenstand und schafft unter teilweiser Verwendung und sinnvoller Kombination der bisher bekannten Massnahmen eine einfache Anordnung, die auch in funktioneller Hinsicht allen Anforderungen vorteilhaft entspricht.
Ausgehend von der eingangs angeführten bekannten Anordnung besteht die erfmdungsgemässe Einrichtung zur stufenlosen Liefermengenregelung darin, dass
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zur Verstellung des Volumens des Zuschaltraumes der hiezu dienende Arbeitsraum des Zuschaltraumes mit der Druckseite des Verdichters über ein Steuergerät in Verbindung steht, durch welches die Zufuhr des Druckgases und die Druckentlastung des Arbeitsraumes in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Verdichters steuerbar sind, und dass das Druckumsetzgefäss über eine vorzugsweise einstellbare Drossel mit dem Arbeitsraum verbunden ist.
Gemäss der Erfindung wird somit für die Verstellung und beliebige Einstellung des Volumens des Zuschaltraumes der Förderdruck des Verdichters verwendet, wobei durch die erfindungsgemässe Anordnung auch bei höheren Verdichterdrücken ausreichend grosse Verstellkräfte erzielt und Schwingungen der verstellbaren Regelungsteile zufolge der Druckschwankungen im Verdichterzylinder verhindert werden. Somit ist mit Hilfe des vorgesehenen Steuergerätes eine beliebige Verstellung der Regelungseinrichtung möglich, ohne dass zusätzliche Einrichtungen für die Erzeugung der Verstellkräfte erforderlich sind.
Die Änderung des Volumens des Zuschaltraumes kann auf beliebige Weise erfolgen, beispielsweise durch die bekannte Ausbildung des Zuschaltraumes als Zylinder mit verstellbarem Kolben, durch Anordnung einer verstellbaren Membrane, eines Faltenbalges oder aber eines aufblasbaren Ballons im Zuschaltraum.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnung zu entnehmen, welche in schematischer Darstellung einen Kolbenverdichter mit der erfindungsgemässen Anordnung zur stufenlosen Regelung der Liefermenge zeigt.
Der nur teilweise dargestellte Verdichter besteht aus einem Zylinder --1--, einem Kolben --2-- und einem von diesem begrenzten Zylinderraum -3--. Seitlich des Zylinders--2--sind Ventilkammern --4 und 5-- vorgesehen, von welchen die Ventilammer --4-- das Saugventil - 6-aufnimmt und mit der Saugleitung --7-- in Verbindung steht, wogegen die Ventilkammer - zur Aufnahme des Druckventils --8-- dient und zur Druckleitung --9-- führt.
Der Zylinder--l-ist an seiner Stirnseite durch einen Zylinderdeckel --10-- abgeschlossen, auf den ein Zuschaltraum --11-- aufgesetzt ist, der mit dem Zylinderraum --3-- über eine Öffnung --12-- dauernd in Verbindung steht.
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Verstellkolben --13-- ist auf seiner dem Zylinder--l-zugekehrten Seite durch die Kraft einer Rückstellfeder --14-- beaufschlagt, die im Zuschaltraum--11--vorgesehen ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Verstellkolbens --13-- beindet sich ein Arbeitsraum der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und über eine Verbindungsleitung--16--, in die eine einstellbare Drossel
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-17-- eingeschaltetausfüllende Flüssigkeit gefüllt, die im Gefäss --18-- durch das vom Verdichter geförderte Druckgas beaufschlagt ist.
Das Druckgas wird dem Druckumsetzgefäss --18-- über eine Gasleitung-19-
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Druckgasbehälter, der in die Druckleitung eingeschaltet ist, zugeführt werden. Es ist auch möglich, das dem Steuergerät--20--zugeführte Druckgas dem Zylinder--l--direkt zu entnehmen, beispielsweise über eine im Ausführungsbeispiel strichpunktiert eingezeichnete Leitung-22-, die vom Zylinderraum --3-- ausgeht und in die ein Rückschlagventil --23-- eingeschaltet ist. Die Druckentlastung des Druckumsetzgefässes --18-- erfolgt über eine vom Steuergerät --20-ausgehende Entlastungsleitung-24--, die im Falle eines Luftverdichters frei in die Atmosphäre münden kann, sonst aber zweckmässig zur Saugseite des Verdichters, beispielsweise in der dargestellten Art in die Vertilkammer --4-- des Saugventils --6--, zurückgeführt ist.
Schliesslich führt vom Steuergerät --20-- noch eine Steuerleitung --25-- weg, über die dem Steuergerät-20- Steuersignale zugeführt werden.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Einrichtung beruht auf dem bekannten Prinzip der stufenlosen Veränderung des Volumens des Zuschaltraumes-11-mit Hilfe des Verstellkolbens --13--. Abweichend von den bekannten Ausführungen erfolgt die Verstellung des Kolbens--13-durch den Druck des vom Verdichter geförderten Gases, wobei in den Kraftweg der Verstellung eine durch den Gasdruck beaufschlagte Druckflüssigkeit eingeschaltet ist. Die Druckflüssigkeit wird im Druckumsetzgefäss --18-- vom Gasdruck beaufschlagt und überträgt die Verstellkraft durch die LeitUng --16-- und die einstellbare Drossel --17-- auf die rückwärtige Stirnfläche des
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Verstellkolbens-13--.
Durch das Steuergerät-20-wird die Gaszufuhr zum Druckumsetzgefäss --18-- geregelt, wobei bei geöffneter Verbindung zwischen den Gasleitungen-19 und 21-der Druck im Druckumsetzgefass-18-erhöht und als Folge davon der Verstellkolben --13-- gegen die Kraft der Rückstellfeder-14-im Sinne einer Verringerung des Volumens des Zuschaltraumes-11-verschoben wird.
Bei Abschaltung der Gaszufuhr bleibt der herrschende Druck im Behälter-18und damit auch die Einstellung des Verstellkolbens --13-- erhalten, wogegen durch Herstellen einer Verbindung zwischen der Gasleitung --19-- und der Entlastungsleitung --24-- der Druck im Behälter-18-verringert und in der Folge der Verstellkolben --13-- durch die Rückstellfeder - -14-- im Sinne einer Vergrösserung des Zuschaltraumes-11-zurückgeschoben wird.
Die einstellbare Drossel --17-- dämpft dabei die Verstellbewegungen des Kolbens --13-- und verhindert insbesondere, dass der Verstellkolben --13-- durch Schwankungen des Gasdruckes im Druckumsetzbehälter --18-- oder durch die periodischen Druckschwankungen im Zylinderraum --3-- zu Schwingungen angeregt oder unerwünscht verschoben wird. Die Betätigung des Steuergerätes --20-- kann in Abhängigkeit jedes beliebigen Betriebszustandes der Verdichteranlage erfolgen, beispielsweise in Abhängigkeit vom Enddruck des Verdichters. In diesem Fall ist die Steuerleitung - beispielsweise an die Druckleitung --9-- oder an einen in diese eingeschalteten Windkessel angeschlossen.
Die erfindungsgemässe Einrichtung kann nicht nur bei dem im Ausführungsbeispiel gezeigten einstufigen Verdichter, sondern mit gleichem Vorteil auch bei mehrstufiger Verdichtung zur stufenlosen Regelung der Liefermenge in einer oder mehreren Verdichtungsstufen angewendet werden.
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Device for stepless delivery rate control for piston compressors
The invention relates to a device for continuously variable delivery control for reciprocating compressors, with an additional space, the volume of which, for. B. by an adjusting piston, is continuously variable, wherein a pressure conversion vessel with pressurized fluid acted upon by the gas pressure is switched into the force path of the adjustment.
The regulation of the delivery quantity of reciprocating compressors by using a connecting space with continuously variable volume has the known advantage of great operational reliability because there are no regulating parts moving in the stroke cycle of the compressor piston, and also works largely without losses. Difficulties arise when adjusting the volume of the connection space because, on the one hand, relatively large forces are required, especially at high delivery pressures, and, on the other hand, vibrations of the adjustable control parts that are exposed to the compressor pressure fluctuating in the stroke cycle must be prevented.
In the known regulating devices of this type, the connecting space is usually designed as a cylinder with an adjustable piston, the piston usually being adjusted by hand with the aid of a screw spindle. As a result of the large adjustment forces required, however, the adjustment is difficult and, moreover, automatic regulation is not possible if manual operation is provided.
According to a further known arrangement, attempts have therefore been made to eliminate these difficulties by hydraulic actuation of the adjusting piston. However, it is disadvantageous here that the oil pressures obviously supplied by the lubricating oil pump of the compressor are relatively low. In most cases, therefore, you have to use your own oil pump, which again causes additional acquisition costs and additional operational disruptions.
An automatically operating switch-on space control is also known in which the compressed gas conveyed is passed through an annular gap-shaped space between the wall of a chamber and the widened head of a piston rod connected to the adjusting piston of the switch-on space. The adjustment of the piston of the connection space takes place by the force acting on the piston rod with each pressure stroke, depending on the amount of gas delivered. In order to avoid disadvantageous vibrations of the piston, it is acted upon by pressure oil on its rear side, which is supplied with the interposition of a throttle point from a container which is acted upon by the gas pressure prevailing in the connection chamber via a line connected to the connection chamber.
This known regulation has the task of avoiding an excessive increase in the delivery rate and thus an overload of the compressor and the drive machine when the output pressure changes. Control and adjustment of the delivery rate as required is not possible with this known device.
The subject of the invention is a regulating device that can be controlled in any way according to the respective requirement and, with partial use and sensible combination of the previously known measures, creates a simple arrangement which also advantageously meets all requirements in functional terms.
On the basis of the known arrangement cited at the outset, the device according to the invention for stepless delivery quantity control consists in that
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To adjust the volume of the connection space, the working space of the connection space to be used is connected to the pressure side of the compressor via a control device through which the supply of the compressed gas and the pressure relief of the working space can be controlled depending on an operating state of the compressor, and that the pressure conversion vessel is a preferably adjustable throttle is connected to the working space.
According to the invention, the delivery pressure of the compressor is used for the adjustment and any setting of the volume of the connection space, with the arrangement according to the invention achieving sufficiently large adjustment forces even at higher compressor pressures and preventing oscillations of the adjustable control parts due to the pressure fluctuations in the compressor cylinder. Any adjustment of the control device is thus possible with the aid of the control device provided, without the need for additional devices for generating the adjustment forces.
The volume of the switch-on space can be changed in any way, for example by the known design of the switch-on space as a cylinder with adjustable piston, by arranging an adjustable membrane, a bellows or an inflatable balloon in the switch-on space.
Further details and advantages of the invention can be found in the following description of an exemplary embodiment with reference to the drawing, which shows a schematic representation of a reciprocating compressor with the arrangement according to the invention for stepless control of the delivery quantity.
The only partially shown compressor consists of a cylinder --1--, a piston --2-- and a cylinder space -3-- delimited by this. On the side of the cylinder - 2 - valve chambers --4 and 5 - are provided, of which the valve chamber --4-- receives the suction valve - 6 - and is connected to the suction line --7--, whereas the valve chamber - Serves to accommodate the pressure valve --8-- and leads to the pressure line --9--.
The cylinder - l - is closed on its front side by a cylinder cover --10-- on which an additional space --11-- is placed, which is continuously connected to the cylinder space --3-- via an opening --12-- is connected.
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Adjusting piston --13-- is acted upon by the force of a return spring --14-- which is provided in the connection space - 11 - on its side facing the cylinder - l. On the opposite side of the adjusting piston --13-- there is a working space which is filled with a liquid and via a connecting line - 16-- into which an adjustable throttle
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-17-- switched on filling liquid filled, which is acted upon in the vessel --18-- by the compressed gas conveyed by the compressor.
The compressed gas is fed to the pressure conversion vessel --18-- via a gas line -19-
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Pressurized gas container, which is switched into the pressure line, are supplied. It is also possible to take the compressed gas supplied to the control unit - 20 - directly from the cylinder - 1 -, for example via a line 22 - drawn in dash-dotted lines in the exemplary embodiment, which emanates from the cylinder chamber - 3 - and into the a check valve --23-- is switched on. The pressure transfer vessel --18 - is relieved of pressure via a relief line - 24 - going out from the control unit - 20 - which, in the case of an air compressor, can open freely into the atmosphere, but otherwise expediently to the suction side of the compressor, for example in the manner shown is returned to the valve chamber --4-- of the suction valve --6--.
Finally, a control line --25-- leads from control unit --20-- via which control signals are fed to control unit -20-.
The mode of operation of the device according to the invention is based on the known principle of continuously changing the volume of the connection space -11-with the aid of the adjusting piston -13-. In a departure from the known designs, the piston is adjusted - 13 - by the pressure of the gas conveyed by the compressor, with a pressure fluid acted upon by the gas pressure being switched into the force path of the adjustment. The hydraulic fluid is pressurized by the gas pressure in the pressure conversion vessel --18-- and transfers the adjusting force through the line --16-- and the adjustable throttle --17-- to the rear face of the
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Adjusting piston-13--.
The gas supply to the pressure conversion vessel -18- is regulated by the control device -20-, whereby when the connection between the gas lines -19 and 21-is open, the pressure in the pressure-conversion vessel -18-is increased and, as a result, the adjusting piston -13-- the force of the return spring -14-is shifted in the sense of a reduction in the volume of the connection space -11-.
When the gas supply is switched off, the pressure prevailing in the container -18 and thus also the setting of the adjusting piston -13- is retained, whereas the pressure in the container is maintained by establishing a connection between the gas line -19- and the relief line -24 -18-is reduced and subsequently the adjusting piston -13- is pushed back by the return spring -14- in the sense of an enlargement of the connection space -11-.
The adjustable throttle --17-- dampens the adjustment movements of the piston --13-- and in particular prevents the adjustment piston --13-- from fluctuations in the gas pressure in the pressure conversion vessel --18-- or from the periodic pressure fluctuations in the cylinder chamber - -3-- is excited to vibrate or undesirably shifted. The actuation of the control device --20-- can take place depending on any operating state of the compressor system, for example depending on the final pressure of the compressor. In this case, the control line is connected - for example to the pressure line --9 - or to an air chamber connected to it.
The device according to the invention can be used not only in the single-stage compressor shown in the exemplary embodiment, but also with the same advantage in multi-stage compression for stepless regulation of the delivery quantity in one or more compression stages.