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Die Erfindung betrifft eine Schadraumeinste11ungs-Einrichtung für Kolbenverdichter, mit einem durch den Druck im Verdichter verschiebbaren Kolben als eine Wandung des Schadraums.
Eine Einrichtung zur stufenlosen Liefermengenregelung für Kolbenverdichter ist bereits in der AT-PS 277 436 beschrieben, bei der in einem Zuschaltraum zum eigentlichen Verdichtungsraum ein stufenlos verstellbarer Kolben vorhanden ist. Dieser Kolben ist in Richtung auf eine Vergrösserung des Schadraumvolumens durch eine Feder belastet, wogegen der Zylinderraum auf der anderen Seite des Kolbens mit hydraulischer Flüssigkeit gefüllt und über eine einstellbare Drossel mit einem Druckumsatzgefäss in Verbindung steht. Diesem Gefäss wird über ein Steuergerät entweder der Enddruck oder der Saugdruck des Verdichters zugeführt und diese Drücke beaufschlagen die Druckflüssigkeit und bewirken so im Zusammenspiel mit der Feder und dem im Verdichtungsraum des Kompressors jeweils herrschenden Druck eine Verstellung des Schadraumkolbens.
Um Schwingungen des Schadraumkolbens zu unterbinden, ist in der Verbindung zum Druckumsatzgefäss eine Drossel eingesetzt, welche die Verstellbewegung des Kolbens dämpft, diese damit aber auch langsamer macht.
Bei der automatischen Schadraumregelung gemäss der US-PS 2, 570, 965 wird eine Regelung der Fördermenge einer Verdichteranlage durch die dem geförderten Volumen umgekehrt proportionale Verstellung des Schadraumes erreicht.
Eine Steuerung und Einstellung der Fördermenge bzw. der Drücke je nach Bedarf ist nicht möglich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass eine ohne Fremdenergie betätigbare und dabei exakt stufenlos steuerbare Schadraumeinstellung mit relativ einfachem und funktionssicherem Aufbau für Kolbenverdichter geschaffen werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass von dem die Wandung des Schadraums bildenden Kolben eine Kolbenstange aus dem Verdichter hinaus in einen doppeltwirkenden Hydraulikzylinder führt und gleichzeitig die
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Kolbenstange dieses Hydraulikzylinders ist, und dass die beiden Arbeitsräume des Hydraulikzylinders über zumindest ein schaltbares Ventil miteinander oder mit einem gemeinsamen Reservoir der Hydraulikflüssigkeit verbunden sind. Die Fixierung des Kolbens in beiden Bewegungsrichtungen über den Hydraulikzylinder gewährleistet die grösstmögliche Exaktheit der Einhaltung der jeweiligen Stellung bei gleichzeitig fremdenergieloser stufenloser Verstellbarkeit.
Gemäss einer ersten vorteilhaften Ausführungsform sind die beiden Arbeitsräume über eine Überströmleitung miteinander verbunden, und ist ein diese Verbindung freigebendes oder sperrendes Ventil in der Überströmleitung eingesetzt. Diese Variante bietet die oben genannte Vorteile bei einfachster baulicher Ausführung und grösster Wirtschaftlichkeit.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die beiden Arbeitsräume über zwei separate Überströmleitungen miteinander verbunden sind, und dass in jeder Überströmleitung ein diese Verbindung freigebendes oder sperrendes Ventil und ein Rückschlagventil eingesetzt sind, wobei die Rückschlagventile unterschiedliche Durchlassrichtungen aufweisen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die beiden Arbeitsräume über je eine Verbindungsleitung mit einem gemeinsamen Reservoir verbunden sind, wobei in jede Verbindungsleitung ein diese Verbindungsleitung freigebendes oder sperrendes Ventil und parallel dazu je ein in Richtung zum Reservoir hin sperrendes Rückschlagventil eingesetzt sind.
Vorteilhafterweise ist bei allen Ausführungsformen der dem Verdichtungsraum gegenüberliegende Raum über jeweils eine Leitung mit Drossel mit der Saugleitung und der Enddruckleitung verbunden.
In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen vorteilhafter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Fig. 1 zeigt dabei eine erste einfache Ausführungsform einer erfindungsgemässen Einrichtung zur Schadraum-Einstellung in schematischer Darstellung, Fig. 2a und 2b zeigen Diagramme des zeitlichen Verlaufes
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des Druckes im Verdichtungsraum des Kompressors und der auf den Schadraumkolben wirkenden Kraft und die Fig. 3 und Fig. 4 stellen schematisch weitere Ausführungsformen der Einrichtung gemäss der Erfindung dar.
In einem Zylinder 1 des Verdichters saugt ein Verdichter-Kolben 2 das zu verdichtende Gas über eine Saugleitung 3 mit einem Rückschlagventil in den Arbeitsraum 4 an und drückt das verdichtete Gas durch ein weiteres Rückschlagventil in die Druckgasleitung 5. Die dem Verdichter-Kolben 2 gegenüberliegende Wandung des Zylinders 1 ist durch einen weiteren Kolben 6 gebildet, der im Arbeitszylinder 1 abgedichtet verschiebbar geführt ist.
Der zweite Kolben 6 ist mit einer Kolbenstange 7 verbunden, die in einen vorzugsweise direkt am Arbeitszylinder 1 angebauten Hydraulikzylinder 8 ragt, in dem ein auf der Kolbenstange 7 befindlicher dritter Kolben 9 zwei Arbeitsräume 10 und 11 voneinander trennt. Diese beiden Arbeitsräume 10 und 11 vor und hinter dem Kolben 9 sind über eine Überströmleitung 12 miteinander
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freigibt. Die sich zwischen den Arbeitsräumen 10 und 11 einstellende Druckdifferenz hält der am Kolben 6 angreifenden Kraft die Waage.
Die Steuerelektronik 14 erhält Steuersignale von einem Stellungsregler, der die Messwerte eines Stellungssensors 16 für die Position des Kolbens 9und damit auch jene des zweiten Schadraumkolbens 6 - und Eingangswerte einer Vergleichsschaltung 17 verarbeitet. In dieser Vergleichsschaltung 17 werden die einstellbaren oder vorbestimmten Werte bestimmter Betriebsparameter, beispielsweise des Volumenstromes, des Saug- oder Enddruckes ps bzw. pd, verglichen.
Von der Saugleitung 3 und der Druckgasleitung 5 ausgehend sind Verbindungen 18 und 19 mit eingesetzten Drosseln in den Raum 20 hinter dem Schadraumkolben 6 vorgesehen, sodass sich ein zwischen dem Saugdruck ps und dem Enddruck pd liegender Druck ph in diesem Raum 20 einstellen kann.
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Allfällige Leckagen aus dem Hydraulikzylinder 8 werden auf niedrigem Druckniveau gesammelt und einem Reservoir 21 zugeführt, das durch einen Gasspeicher auf Druck gehalten wird und über ein Rückschlagventil an die Überströmleitung 12 angeschlossen ist. Dadurch ist auch ein Minimalwert für den Druck in den Arbeitsräumen 10 und 11 des Hydraulikzylinders 8 gegeben.
In Fig. 2a ist der Druckverlauf im Arbeitsraum 2 des Zylinders 1 des Verdichters über der Zeit dargestellt. Ebenso ist der im wesentlichen konstante Druck ph im Raum 20 hinter dem Kolben 6 eingetragen. Die aufgrund dieses Druckverlaufs der Fig. 2a auf den Kolben 6 wirkende Kraft ist im Diagramm der Fig. 2b repräsentiert, wo deren unterschiedliche Richtung während des Ansaug- bzw. Verdichtungs- und Ausstosstaktes zu erkennen ist.
Wenn das Zweiwegeventil 13 während des Verdichtungstaktes offen gehalten ist, bewegt sich der zweite Kolben 6 aufgrund des anwachsenden Drucks im Arbeitsraum 4 gegen die Deckelseite und der Schadraum vergrössert sich.
Umgekehrt fährt der Kolben 6 in Richtung Kurbelseite, wenn das Zweiwegeventil 13 während des Saugtaktes geöffnet und der Druck hinter dem Kolben 6 grösser als im Arbeitsraum 4 ist. Durch entsprechende Wahlfolge der Öffnungszyklen des Ventils 13 kann somit ohne Einsatz von Fremdenergie jede beliebige Lage des Kolbens 6 und damit jede beliebige Grösse des Schadraumes angefahren und anschliessend durch Geschlossenhalten des Ventils 13 exakt eingehalten werden.
Als stellungsrückmeldender Sensor 16 kann beispielsweise ein LDVT (linear differential voltage transponder) vorgesehen sein, der mit Hilfe des Stellungsreglers 15 und der geeigneten Elektronik 14 die Stellung des Kolbens 6 und damit die Schadraumgrösse regelt.
Bei der bauteilbezogen etwas erweiterten Variante der Fig. 3 sind zwei Überströmleitungen 22, 23 zwischen den Arbeitsräumen des Hydraulikzylinders 8 vorgesehen. In jede dieser Überströmleitungen 22,23 ist ein einfacheres normalschaltendes Zweiwegeventil 24 bzw. 25 und ein Rückschlagventil 26 bzw. 27 eingesetzt. Beide Ventile 24,25 werden hier vorteilhafterweise direkt und
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ohne aufwendige separate Steuerelektronik vom Stellungsregler 15 angesteuert.
Nach Öffnen des einen Ventils 24 wird, sobald der Kompressionsdruck im Zylinder 1 des Verdichters den Druck ph hinter dem Schadraum-Kolben 6 überschreitet, das Hydrauliköl aus dem Arbeitsraum 11 des Hydraulikzylinders 8 in den Arbeitsraum 10 gedrückt. Dadurch kann sich der Kolben 9 solange nach oben bewegen und sich somit der Schadraum vergrössern, bis der Kompressionsdruck wieder kleiner oder zumindest gleich dem Druck ph im Raum 20 ist. Nun verhindern aber das geschlossene Ventil 25 in der gegenüberliegenden Überströmleitung 23 und das Rückschlagventil 26 auf der Seite des Ventils 24, dass der Hydraulik-Kolben 9 in eine Richtung bewegt wird, die den Schadraum wieder verkleinern würde.
Beim nächsten Kompressionstakt wird der Kolben 6 aber wieder im Sinn einer Vergrösserung des Schadraumes weiter bewegt, welcher Vorgang sich wiederholt, bis die gewünschte Stellung des Kolbens 6 und die gewünschte Grösse des Schadraumes gegeben sind. Dann wird das Ventil 24 geschlossen und diese Stellung bzw. Schadraumgrösse exakt fixiert.
Die Verkleinerung des Schadraumes erfolgt sinngemäss durch Öffnen des Ventils 25 und Geschlossenhalten des Ventils 24.
Bei der Variante der Fig. 4 sind die Arbeitsräume 10 und 11 des Hydraulikzylinders 8 nicht über Überströmleitungen direkt miteinander in Verbindung, sondern jeder dieser Arbeitsräume 10 und 11 steht über je zumindest eine Leitung mit dem gemeinsamen Reservoir 21 in Verbindung. In jeder Leitung sind je ein normal schaltendes Zweiwegeventil 28 und 29 sowie parallel ein in Richtung des Reservoirs 21 sperrendes Rückschlagventil 30 und 31 vorgesehen.
Die Ventile 28,29 und Rückschlagventile 30,31 können auch in parallelen Verbindungsleitungen oder abzweigenden Leitungen vorgesehen sein.
Die Funktionsweise ist ähnlich jener der Ausführungsform der Fig. 3, wobei zum Vergrössern des Schadraumes das eine Ventil 29 geöffnet wird, so dass der Kolben 6 in Richtung der Deckelseite des Zylinders 1 des Verdichters verschoben werden kann, sobald der Kompressionsdruck im Zylinder 1 des
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Verdichters den Druck ph hinter dem Schadraum-Kolben 6 überschreitet. Das Hydrauliköl aus dem Arbeitsraum 11 des Hydraulikzylinders 8 wird nun aber nicht in den Arbeitsraum 10 sondern durch das offene Ventil 29 in das Reservoir 21 gedrückt. Dadurch kann sich der Kolben 9 solange nach oben bewegen und sich somit der Schadraum vergrössern, bis der Kompressionsdruck wieder kleiner oder zumindest gleich dem Druck ph im Raum 20 ist.
Aus dem Reservoir 21 strömt Hydraulikflüssigkeit über das in dieser Richtung offene Rückschlagventil 30 in den Arbeitsraum 10 nach. Während des Ansaugtaktes verhindern aber das geschlossene Ventil 28 und das in dieser Richtung sperrende Rückschlagventil 30, dass der Hydraulik-Kolben 9 in eine Richtung bewegt wird, die den Schadraum wieder verkleinern würde. Beim nächsten Kompressionstakt wird der Kolben 6 aber wieder im Sinn einer Vergrösserung des Schadraumes weiter bewegt, welcher Vorgang sich wiederholt, bis die gewünschte Stellung des Kolbens 6 und die gewünschte Grösse des Schadraumes gegeben sind. Dann wird das Ventil 29 geschlossen und diese Stellung bzw. Schadraumgrösse exakt fixiert.
Die Verkleinerung des Schadraumes erfolgt sinngemäss durch Öffnen des Ventils 28 und Geschlossenhalten des Ventils 29.