EP3812582A1 - Kolbenverdichter und verfahren zum betrieb desselben - Google Patents

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EP3812582A1
EP3812582A1 EP19204408.9A EP19204408A EP3812582A1 EP 3812582 A1 EP3812582 A1 EP 3812582A1 EP 19204408 A EP19204408 A EP 19204408A EP 3812582 A1 EP3812582 A1 EP 3812582A1
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EP
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piston
piston rod
magnetic bearing
longitudinal direction
packing seal
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Withdrawn
Application number
EP19204408.9A
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Alexandre Voser
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Burckhardt Compression AG
Original Assignee
Burckhardt Compression AG
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Publication date
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    • F04B9/045—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being mechanical the means being cams, eccentrics or pin-and-slot mechanisms the means being eccentrics

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating compressor and a method for operating the same.
  • WO2014 / 139565A1 discloses a reciprocating compressor with a horizontally extending cylinder in which a reciprocating piston is arranged in the horizontal direction.
  • This piston compressor has the disadvantage that the sealing rings are subject to relatively great wear and tear, and that the piston compressor can only be operated at a relatively low speed.
  • the object of the invention is to design a more advantageous piston compressor which preferably has a piston that can move in the horizontal direction.
  • a piston compressor for compressing a gas comprising a cylinder running essentially in the horizontal direction and comprising a piston, a piston rod, a packing seal, a cross head and a drive, the piston being arranged movably in a longitudinal direction within the cylinder is, wherein the piston is connected to the crosshead via a piston rod, wherein a packing seal is arranged between the piston and the crosshead, through which the piston rod extends, and wherein the crosshead is driven by the drive, wherein between the piston and the crosshead also a controllable magnetic bearing is arranged, wherein the magnetic bearing can bring about a magnetic force on the piston rod at least perpendicular to the longitudinal direction, and wherein a control device controls the magnetic force caused by the magnetic bearing on the piston rod.
  • the object is further achieved in particular with a method for operating a reciprocating compressor comprising a piston which is moved back and forth in a longitudinal direction within a cylinder, the longitudinal direction running essentially in the horizontal direction, the piston being driven via a piston rod, wherein a controllable, at least perpendicular to the A magnetic force acting in the longitudinal direction is exerted on the piston rod and thereby a relief force is brought about on the piston via the piston rod, the magnetic force being controlled as a function of a state variable.
  • the piston compressor according to the invention for compressing a gas comprises a controllable magnetic bearing which is arranged between a piston and a cross head of the piston compressor, a piston rod connecting the piston to the cross head, the piston rod running through the magnetic magnetic bearing, and the magnetic bearing at least perpendicular to the In the direction of extension of the piston rod, a controllable, magnetic force of attraction exerts on the piston rod in order to preferably bring about a vertically upwardly directed force on the piston rod.
  • the controllable magnetic bearing is preferably designed as a radial bearing. However, the magnetic bearing could also be designed in such a way that the magnetic force only acts in one direction or in one dimension, preferably in the direction opposite to gravity.
  • the piston compressor comprises at least one cylinder as well as a piston arranged to be movable back and forth within the cylinder, the cylinder interior and thus also the movement of the piston preferably running in the horizontal direction or essentially in the horizontal direction, such a piston compressor also being a horizontal piston compressor referred to as. It is known to provide pistons movable in the horizontal direction with a so-called guide ring which rests on the inner surface of the cylinder.
  • the attractive force exerted on the piston rod by the magnetic bearing at least in the vertical direction and / or that exerted on the piston rod is that the bearing force of a piston supported on the inner surface of the cylinder is reduced, or that the piston or the guide ring no longer touches the inner surface of the cylinder, so that the piston or the guide ring of the piston either only has a reduced bearing force the inner surface of the cylinder rests, and particularly advantageously moves back and forth within the cylinder without touching the inner surface of the cylinder.
  • the piston of the piston compressor according to the invention is particularly advantageously designed as a labyrinth piston, such a labyrinth piston, as is known per se, having a labyrinth structure on its surface which serves to seal between the piston and the inner surface of the cylinder.
  • the attractive force brought about by the magnetic bearing on the piston rod is preferably controlled in such a way that the piston moving back and forth does not touch the inner surface of the cylinder along the entire stroke.
  • the piston compression according to the invention is, however, also suitable for pistons with piston rings and, if necessary, additionally having guide rings.
  • the piston compressor according to the invention also has the advantage that it can be operated with a higher number of revolutions or with a higher mean piston speed, since the piston or the guide ring is either the inner wall of the cylinder no longer touched at all, or only rests on the inner wall of the cylinder with reduced contact force.
  • Such an operation at a higher speed of rotation is particularly advantageous in a piston compressor with a so-called dry-running piston, i.e. a labyrinth piston, or a piston with self-lubricating sealing rings, i.e. a piston whose piston or sealing rings are not oil-lubricated, which is also called a unlubricated piston is called.
  • the controllable magnetic bearing can either be used as a supporting bearing, by which the piston is held without touching the inner surface of the cylinder, or it can be used as a relief bearing, through which the force exerted by the piston on the inner surface of the cylinder is reduced, whereby the In this case, the piston touches the inner wall.
  • the magnetic bearing is arranged at a predetermined point in the horizontal reciprocating compressor, whereas the position of the center of gravity of the piston changes continuously during operation due to the back and forth movement, so that the length of the piston rod between the magnetic magnetic bearing and the center of gravity changes during operation the lever arm formed by the piston is constantly changing.
  • a control device provided for supplying power to the magnetic bearing is therefore advantageously designed such that the magnetic force caused by the magnetic magnetic bearing on the piston rod is controlled depending on the position of the piston or depending on the length of the aforementioned lever arm.
  • at least one force acting in the vertical direction is exerted on the piston rod.
  • the magnetic bearing is particularly advantageously designed as a radial bearing that, perpendicular to the longitudinal direction of the piston rod, a force controllable in two dimensions can exert on the piston rod, preferably a force in the vertical direction and a force in the horizontal direction.
  • a radial bearing is advantageously controlled in such a way that the piston does not touch the inner surface of the cylinder in any of its possible positions during operation, neither a lower, an upper nor a lateral inner surface of the cylinder.
  • the magnetic bearing is preferably controlled as a function of a measured state variable, in particular if the piston should not touch the inner surface of the cylinder during operation, the state variable comprising at least one of the following variables: displacement path of the piston in the cylinder, displacement path of the piston rod in the direction of the piston rod, Displacement of the piston rod perpendicular to the direction of the piston rod, as well as the angle of rotation of the drive shaft.
  • the distance between the piston rod and the magnetic bearing is suitable as a state variable, at least in the vertical direction, and in particular the gap width in the magnetic bearing between the piston rod and the magnetic bearing.
  • a reciprocating compressor usually comprises a packing seal with sealing rings, the piston rod running through this packing seal or its sealing rings in order to seal the cylinder interior from the outside.
  • the magnetic bearings are also arranged in the packing seal.
  • Such a modified packing seal comprising the magnetic bearing is designed particularly advantageously as an interchangeable part.
  • Such a modified packing seal particularly advantageously has the same mass as previously known packing seals without magnetic bearings, so that the modified packing seal comprising the magnetic bearing can be used for installation in existing reciprocating compressors in order to retrofit them and improve them in quality.
  • the modified packing seal also includes cooling channels.
  • these cooling channels are connected to a cooling circuit in order to cool the magnetic magnetic bearing and / or the packing seal.
  • Fig. 1 shows a piston compressor 1 for compressing a gas, comprising a cylinder 2 running in the horizontal direction and comprising a piston 3 movable within the cylinder 2 in the direction of the cylinder 2 or in the longitudinal direction L.
  • the piston compressor 1 also comprises a piston rod 16, a packing seal 12 , a magnetic magnetic bearing 13, a cross head 17 with a linear guide 18, a push rod 19 and a drive, for example a crank 20 with a drive shaft 21.
  • the piston 3 is double-acting in the illustrated embodiment and comprises sealing or piston rings 4 and a guide ring 5, the piston 3 dividing the interior of the cylinder 2 into a first interior 6 and a second interior 7, these two interior spaces each having an inlet valve 8, 9 and an outlet valve 10, 11 each.
  • the cylinder 2 is connected to a housing 15 via an intermediate piece 14, the packing seal 12 and the magnetic magnetic bearing 13 also being arranged in the intermediate piece.
  • the magnetic magnetic bearing 13 causes a magnetic force F m on the piston rod 16 at least in the vertical direction.
  • a control device 22 detects a state variable Z of the piston compressor 1, for example the displacement s (t) of the piston in the cylinder, via a signal line 24 and a sensor (not shown) 7 as a function of time, the displacement path s (t) of the piston rod 16 and / or an angle of rotation a (t) of the drive shaft 21 as a function of time.
  • the control device 22 controls the current in the magnets of the magnetic bearing 13 and thereby the magnetic force caused by the magnets on the piston rod 16 via a signal line 25.
  • control device 22 can be operated in a control mode in which a state variable Z is measured and the magnetic force F m is changed as a function of the state variable Z. There is no need for feedback.
  • Figure 3 shows an example of such a control mode in which the course of a curve K1 is specified, the curve K1 specifying the relationship between the state variable Z, in the present case the angle of rotation ⁇ of the drive shaft 21, and the magnetic force F m to be generated as a function of the angle of rotation ⁇ .
  • the lever arm formed by the center of gravity S of the piston 3 and the magnetic bearing 13 is shortest, and the magnetic force F m is greatest at the top dead center because the lever arm formed by the piston rod 16 between the center of gravity S of the piston 3 and the magnetic bearing 13 is the longest is.
  • the angle of rotation ⁇ is measured with a sensor (not shown) and fed to the control device 22 via the signal line 24.
  • the curve profile K1 can, for example, be specified on the basis of empirical values.
  • This embodiment is particularly advantageous when, as in Figure 1 shown, a piston 3 having a guide ring 5 is used, wherein the guide ring 5 rests against the inner surface of the cylinder 2, and
  • the magnetic force F m serves to reduce the bearing force of the guide ring 5 on the inner surface of the cylinder 2, in order to thereby in particular reduce wear on the guide ring 5.
  • the curve K1 shown only shows the course of the magnetic force Fm as a function of the crankshaft angle ⁇ between 0 ° and 180 °.
  • a measuring device for example a sensor 26, is provided in order to measure the position of the piston rod 16 and / or the piston 3 at least in the vertical direction.
  • Figure 2 shows an embodiment which measures the position of the piston rod 16 in the vertical direction.
  • the sensor 26 is arranged close to the magnetic bearing 13 or even inside the magnetic bearing 13, the sensor 26 advantageously measuring the distance D between an upper coil core 13a of the magnetic bearing 13 and the surface of the piston rod 16.
  • the magnetic bearing 13 advantageously comprises at least one upper coil core 13a with a coil 13b and a lower coil core 13c with a coil 13d.
  • the magnetic bearing 13 can, as in Figure 6 also be designed as a radial magnetic bearing, with a plurality of electromagnets arranged distributed in the circumferential direction, their coils 13b, 13d preferably being individually controllable, so that the direction of the magnetic force caused on the piston rod 16 by a corresponding control of the coils 13b, 13d F m can be determined.
  • the control device 22 is given a setpoint value for the distance D via the setpoint input 28, the control device 22 controlling the coils 13b, 13d with current via the signal line 25 in such a way that the piston rod 16 is independent of stroke s (t) or has an essentially constant, constant distance D from the crankshaft angle ⁇ (t) with respect to the upper coil core 13a.
  • the piston rod 16 acts as a magnetic armature of the two coil cores 13a, 13b.
  • the magnetic bearing 13 can preferably bring about an upwardly directed force as well as a downwardly directed magnetic attraction force on the piston rod 16, so that the position of the piston rod 16 relative to the magnetic bearing 13 can be controlled particularly precisely.
  • the reciprocating compressor 1 is thus advantageously operated in such a way that a controllable magnetic force F m is exerted on the piston rod 16, so that a force F m acting at least in the vertical direction, or a relief force F h , is exerted on the piston via the piston rod 16 ) is effected on the piston 3, which counteracts the force of gravity F, the magnetic force F m being controlled or changed depending on a state variable Z such as the distance D, the stroke s (t) or the angle of rotation a (t) becomes.
  • the in Figure 4 The longitudinal section shown shows a packing seal 12 known per se, comprising a plurality of chamber rings 12a in which sealing rings 12b are arranged.
  • the packing seal 12 comprises a fastening part 12c, to which all chamber rings 12a are fastened in a manner not shown in detail are.
  • the packing seal 12 is connected to a cylinder housing 2a of a cylinder 2 via the fastening part 12c, with a piston rod 16 running through the packing seal 12.
  • the cylinder housing 2a has a recess which corresponds to an outer contour 12d of the packing seal 12, so that the entire packing seal 12 can be inserted into this recess and, if necessary, the entire packing seal 12 can be replaced.
  • Figure 5 shows a longitudinal section through a packing seal 12 according to the invention comprising a magnetic bearing 13.
  • Figure 6 shows a section of the magnetic bearing 13, which is designed as a radial bearing and comprises eight coil cores 13a, 13c, the two opposite coil cores 13a, 13c being provided with reference numerals.
  • the coil cores 13a, 13c are wound with coils 13b, 13d.
  • the end face 13e of the coil core 13a facing the piston rod 16 is shown.
  • the packing seal 12 according to Figure 5 comprises two chamber rings 12a in which sealing rings 12b are arranged.
  • the packing seal 12 also comprises two emergency bearings 12f, 12g, each with a bearing surface 12h, 12i.
  • the packing seal 12 also comprises a holder 12k for a sensor 26, a sensor 26 being arranged at least at the top, and a plurality of sensors 26 preferably being arranged at a distance from one another in the circumferential direction.
  • the packing seal 12 comprises a fastening part 12c, with which preferably all in Figure 5 components shown are connected.
  • the packing seal 12 has an outer contour 12d.
  • the outer contour 12d of the packing seal 12 according to the invention is dimensioned similarly or identically to that in FIG Figure 4 shown, known packing seal 12, so that the packing seal 12 according to the invention can be used in existing reciprocating compressors 1 having the known packing seal 12.
  • a piston compressor 1 upgraded with the packing seal 12 according to the invention is also provided with a control device 22 so that existing piston compressor 1 can also be provided with the device according to the invention or existing piston compressor 1 can be operated with the method according to the invention.
  • the packing seal according to the invention comprises 12, as in FIG Figure 5 also cooling channels 12l, which for example run inside the outer jacket 12e and / or inside the coil cores 13a, 13c, the cooling channels forming part of a cooling circuit in order to cool the magnetic bearing 13 and / or the packing seal 12.
  • the cooling circuit is only shown schematically, with the supply lines and the discharge lines of the cooling circuit preferably being arranged to run through the fastening part 12c in such a way that the fastening part 12c has connections 12m for the cooling circuit accessible from the outside, preferably on its end face, and that the cooling circuit inside the packing seal 12 is predefined and fully configured, so that after the packing seal 12 has been installed, only the external coolant supply from the outside needs to be connected to the fastening part 12c in order to supply the cooling circuit inside the packing seal 12 with cooling liquid.
  • Figure 5 are in particular the Connection channels arranged within the emergency bearing 12g and mutually fluidly connecting the cooling channels 12l are not shown.
  • a piston compressor 1 comprising a piston 3 with piston or sealing rings 4 and a guide ring 5 is shown.
  • the guide ring 5 could be dispensed with.
  • the piston 3 could also be designed as a labyrinth piston, this labyrinth piston preferably not touching the inner wall of the cylinder 2.

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Abstract

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

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter sowie ein Verfahren zum Betrieb desselben.
    • Stand der Technik
  • Das Dokument WO2014/139565A1 offenbart einen Kolbenverdichter mit einem horizontal verlaufenden Zylinder in welchem ein in horizontaler Richtung hin und her beweglicher Kolben angeordnet ist. Dieser Kolbenverdichter weist den Nachteil auf, dass die Dichtringe einem relativ grossen Verschleiss unterliegen, und dass der Kolbenverdichter nur mit relativ geringer Geschwindigkeit betreibbar ist.
    • Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es einen vorteilhafteren Kolbenverdichter auszubilden, der vorzugsweise einen in horizontaler Richtung beweglichen Kolben aufweist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Kolbenverdichtung aufweisend die Merkmale von Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 6 betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen. Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Verfahren aufweisend die Merkmale von Anspruch 7.die abhängigen Ansprüche 8 bis 13 betreffen weitere vorteilhafte Verfahrensschritte.
  • Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einem Kolbenverdichter zum Verdichten eines Gases, umfassend einen in Wesentlichen in horizontaler Richtung verlaufenden Zylinder sowie umfassend einen Kolben, eine Kolbenstange, eine Packungsdichtung, einen Kreuzkopf sowie einen Antrieb, wobei der Kolben in einer Längsrichtung beweglich innerhalb des Zylinders angeordnet ist, wobei der Kolben über eine Kolbenstange mit dem Kreuzkopf verbunden ist, wobei zwischen dem Kolben und dem Kreuzkopf eine Packungsdichtung angeordnet ist, durch welche die Kolbenstange verläuft, und wobei der Kreuzkopf durch den Antrieb angetrieben ist, wobei zwischen dem Kolben und dem Kreuzkopf zudem ein ansteuerbares Magnetlager angeordnet ist, wobei das Magnetlager zumindest senkrecht zur Längsrichtung eine magnetische Kraft auf die Kolbenstange bewirken kann, und wobei eine Ansteuervorrichtung die vom Magnetlager auf die Kolbenstange bewirkte magnetische Kraft ansteuert.
    Die Aufgabe wird weiter insbesondere gelöst mit einem Verfahren zum Betrieb eines Kolbenverdichters umfassend einen Kolben, der in einer Längsrichtung innerhalb eines Zylinders hin und her bewegt wird, wobei die Längsrichtung im Wesentlichen in horizontaler Richtung verläuft, wobei der Kolben über eine Kolbenstange angetrieben wird, wobei eine ansteuerbare, zumindest senkrecht zur Längsrichtung wirkende, magnetische Kraft auf die Kolbenstange ausgeübt wird und dadurch über die Kolbenstange eine Entlastungskraft auf den Kolben bewirkt wird, wobei die magnetische Kraft in Abhängigkeit einer Zustandsgrösse angesteuert wird.
  • Der erfindungsgemässe Kolbenverdichter zum Verdichten eines Gases umfasst ein ansteuerbares Magnetlager, welches zwischen einem Kolben und einem Kreuzkopf des Kolbenverdichters angeordnet ist, wobei eine Kolbenstange den Kolben mit dem Kreuzkopf verbindet, wobei die Kolbenstange durch das magnetische Magnetlager verläuft, und wobei das Magnetlager zumindest senkrecht zur Verlaufsrichtung der Kolbenstange eine ansteuerbare, magnetische Anziehungskraft auf die Kolbenstange ausübt, um vorzugsweise eine vertikal nach oben gerichtete Kraft auf die Kolbenstange zu bewirken. Das ansteuerbare Magnetlager ist vorzugsweise als Radiallager ausgestaltet. Das Magnetlager könnte jedoch auch derart ausgestaltet sein, dass die Magnetkraft nur in einer Richtung bzw. in einer Dimension wirkt, vorzugsweise in zur Schwerkraft entgegengesetzten Richtung. Der Kolbenverdichter umfasst zumindest einen Zylinder sowie jeweils einen innerhalb des Zylinders hin- und her beweglich angeordneten Kolben, wobei der Zylinderinnenraum und somit auch die Bewegung des Kolbens vorzugsweise in horizontaler Richtung oder im Wesentlichen in horizontaler Richtung verläuft, wobei ein derartiger Kolbenverdichter auch als horizontaler Kolbenverdichter bezeichnet wird. Es ist bekannt in horizontaler Richtung bewegliche Kolben mit einem sogenannten Führungsring zu versehen, welcher an der Innenoberfläche des Zylinders aufliegt. Die vom Magnetlager zumindest in vertikaler Richtung auf die Kolbenstange ausgeübte Anziehungskraft und/oder die auf die Kolbenstange ausgeübte Abstossungskraft hat zur Folge, dass die Auflagekraft eines an der Innenoberfläche des Zylinders abgestützten Kolbens reduziert wird, oder dass der Kolben bzw. der Führungsring die Innenoberfläche des Zylinders nicht mehr berührt, sodass der Kolben bzw. der Führungsring des Kolbens entweder nur mit reduzierter Auflagekraft an der Innenoberfläche des Zylinders aufliegt, und besonders vorteilhaft sich ohne eine Berührung der Innenoberfläche des Zylinders innerhalb des Zylinders hin und her bewegt. Falls ein Kolben einen Führungsring aufweist, so ergibt sich aus der Verwendung des Magnetlagers der Vorteil, dass die Auflagekraft des Führungsrings an der Innenoberfläche und dadurch der Verschleiss des Führungsrings reduziert wird, sodass der Führungsring eine höhere Standzeit bzw. eine höhere Lebensdauer aufweist, bis dieser zu ersetzen ist. Besonders vorteilhaft ist der Kolben des erfindungsgemässen Kolbenverdichters als ein Labyrinthkolben ausgestaltet, wobei ein solcher Labyrinthkolben, wie an sich bekannt, an dessen Oberfläche eine Labyrinthstruktur aufweist, welche zur Abdichtung zwischen Kolben und Innenoberfläche des Zylinders dient. Die vom Magnetlager auf die Kolbenstange bewirkte Anziehungskraft wird dabei vorzugsweise derart angesteuert, dass der sich hin und her bewegende Kolben entlang des gesamten Hubweges die Innenoberfläche des Zylinders nicht berührt. Der erfindungsgemässe Kolbenverdichtung ist jedoch auch für Kolben mit Kolbenringen und gegebenenfalls zusätzlich aufweisend Führungsringe geeignet.
  • Der erfindungsgemässe Kolbenverdichteter weist zudem den Vorteil auf, dass dieser mit einer höheren Drehungszahl beziehungsweise mit einer höheren mittleren Kolbengeschwindigkeit betreibbar ist, da der Kolben bzw. der Führungsring die Zylinderinnenwand entweder gar nicht mehr berührt, oder nur noch mit reduzierter Auflagekraft an der Zylinderinnenwand anliegt. Ein derartiger Betrieb mit höherer Umdrehungszahl ist insbesondere vorteilhaft bei einem Kolbenkompressor mit einem sogenannten trocken laufenden Kolben, das heisst einem Labyrinthkolben, oder einem Kolben mit selbstschmierenden Dichtungsringen, das heisst einem Kolben, dessen Kolben- bzw. Dichtungsringe nicht ölgeschmiert sind, was auch als ein ungeschmierter Kolben bezeichnet wird. Das ansteuerbare Magnetlager kann entweder als tragendes Lager verwendet werden, durch welches der Kolben ohne eine Berührung der Innenoberfläche des Zylinders gehalten wird, oder es kann als Entlastungslager verwendet werden, durch welches die vom Kolben auf die Innenoberfläche des Zylinders bewirkte Kraft reduziert wird, wobei der Kolben in diesem Fall die Innenwand berührt.
  • Das Magnetlager ist an einer vorgegebenen Stelle im horizontalen Kolbenverdichter angeordnet, wogegen sich die Lage des Schwerpunkts des Kolben durch die Hin- und Herbewegung während des Betriebs ständig verändert, sodass sich während des Betriebs die Länge des durch die Kolbenstange zwischen dem magnetischen Magnetlager und dem Schwerpunkt des Kolbens gebildeten Hebelarms ständig verändert. Eine zur Stromversorgung des Magnetlagers vorgesehene Ansteuervorrichtung ist daher vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass die vom magnetischen Magnetlager auf die Kolbenstange bewirkte magnetische Kraft in Abhängigkeit der Stellung des Kolbens beziehungsweise in Abhängigkeit der Länge des vorhin genannten Hebelarms angesteuert verändert wird. Vorteilhafterweise wird zumindest eine in vertikaler Richtung wirkende Kraft auf die Kolbenstange ausgeübt. Besonders vorteilhaft ist das Magnetlager als Radiallager ausgestaltet, das, senkrecht zur Längsrichtung der Kolbenstange, eine in zwei Dimensionen ansteuerbare Kraft auf die Kolbenstange ausüben kann, vorzugsweise eine Kraft in vertikaler Richtung und eine Kraft in horizontaler Richtung. Vorteilhafterweise wird ein solches Radiallager derart angesteuert, dass der Kolben während dem Betrieb in jeder seiner möglichen Stellungen die Innenoberfläche des Zylinders nicht berührt, weder eine untere noch eine obere noch eine seitliche Innenfläche des Zylinders.
  • Das Magnetlager wird vorzugsweise in Abhängigkeit einer gemessenen Zustandsgrösse angesteuert, insbesondere wenn der Kolben während dem Betrieb die Innenoberfläche des Zylinders nicht berührt soll, wobei die Zustandsgrösse zumindest eine der nachfolgenden Grössen umfasst: Verschiebeweg des Kolbens im Zylinder, Verschiebeweg der Kolbenstange in Verlaufsrichtung der Kolbenstange, Verschiebeweg der Kolbenstange senkrecht zur Verlaufsrichtung der Kolbenstange, sowie Drehwinkel der Antriebswelle. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist als Zustandsgrösse der Abstand der Kolbenstange bezüglich dem Magnetlager geeignet, zumindest in vertikaler Richtung, und insbesondere die Spaltbreite im Magnetlager zwischen Kolbenstange und Magnetlager.
  • Ein Kolbenkompressor umfasst üblicherweise eine Packungsdichtung mit Dichtungsringen, wobei die Kolbenstange durch diese Packungsdichtung bzw. deren Dichtungsringe verläuft, um den Zylinderinnenraum gegen Aussen abzudichten. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind in der Packungsdichtung nebst den Dichtungsringen zudem noch das Magnetlager angeordnet. Eine solche, modifizierte Packungsdichtung umfassend das Magnetlager ist besonders vorteilhaft als ein Austauschteil ausgestaltet. Besonders vorteilhaft weist eine solche modifizierte Packungsdichtung dieselben Masse auf wie bisher bekannte Packungsdichtungen ohne Magnetlager, sodass die modifizierte Packungsdichtung umfassend das Magnetlager zum Einbau in bestehende Kolbenkompressoren verwendet werden kann, um diese nachzurüsten und qualitativ zu verbessern.
  • In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die modifizierte Packungsdichtung zudem noch Kühlkanäle. Bei einer im Kolbenkompressor montierten, modifizierten Packungsdichtung sind diese Kühlkanäle mit einem Kühlkreislauf verbunden, um das magnetische Magnetlager und/oder die Packungsdichtung zu kühlen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    einen schematisch vereinfachten Längsschnitt durch einen Kolbenverdichter;
    Fig. 2
    schematisch eine Regelungsvorrichtung;
    Fig. 3
    ein beispielhafter Verlauf der magnetischen Kraft in Funktion einer Zustandsgrösse, nämlich des Drehwinkels einer Antriebswelle;
    Fig. 4
    einen Längsschnitt durch eine bekannte Packungsdichtung;
    Fig. 5
    einen Längsschnitt durch eine Packungsdichtung gemäss der Erfindung;
    Fig. 6
    ein radiales Magnetlager.
  • Grundsätzlich sind in den Zeichnungen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
    • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Fig. 1 zeigt einen Kolbenverdichter 1 zum Verdichten eines Gases, umfassend einen in horizontaler Richtung verlaufenden Zylinder 2 sowie umfassend einen innerhalb des Zylinders 2 in Verlaufsrichtung des Zylinders 2 bzw. in Längsrichtung L beweglichen Kolben 3. Der Kolbenverdichter 1 umfasst zudem eine Kolbenstange 16, eine Packungsdichtung 12, ein magnetisches Magnetlager 13, einen Kreuzkopf 17 mit einer Linearführung 18, eine Schubstange 19 sowie einen Antrieb, beispielsweise eine Kurbel 20 mit einer Antriebswelle 21. Der Kolben 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel doppelwirkend ausgestaltet und umfasst Dichtungs- bzw. Kolbenringe 4 sowie einen Führungsring 5, wobei der Kolben 3 den Innenraum des Zylinders 2 in einen ersten Innenraum 6 sowie einen zweiten Innenraum 7 unterteilt, wobei diese beiden Innenräume je ein Eingangsventil 8, 9 sowie je ein Ausgangsventil 10, 11 aufweisen. Der Zylinder 2 ist über ein Zwischenstück 14 mit einem Gehäuse 15 verbunden, wobei in Zwischenstück zudem die Packungsdichtung 12 und das magnetische Magnetlager 13 angeordnet sind. Das magnetische Magnetlager 13 bewirkt zumindest in vertikaler Richtung eine magnetische Kraft Fm auf die Kolbenstange 16. Eine Ansteuervorrichtung 22 erfasst über eine Signalleitung 24 und einen nicht dargestellten Sensor eine Zustandsgrösse Z des Kolbenkompressors 1, beispielsweise den Verschiebeweg s(t) des Kolbens im Zylinder 7 in Funktion der Zeit, den Verschiebeweg s(t) der Kolbenstange 16 und/oder einen Drehwinkel a(t) der Antriebswelle 21 in Funktion der Zeit. Die Ansteuervorrichtung 22 steuert den Strom in den Magneten des Magnetlagers 13 und dadurch die von den Magneten auf die Kolbenstange 16 bewirkte magnetische Kraft über eine Signalleitung 25 an.
  • Die Ansteuervorrichtung 22 kann in einer einfachen Ausführungsform in einem Ansteuermodus betrieben werden, bei welchem eine Zustandsgrösse Z gemessen wird, und die magnetische Kraft Fm in Funktion der Zustandsgrösse Z verändert wird. Dabei kann auf eine Rückkoppelung verzichtet werden. Figur 3 zeigt beispielhaft einen derartigen Ansteuermodus, bei welchem der Verlauf einer Kurve K1 vorgegeben wird, wobei die Kurve K1 den Zusammenhang der Zustandsgrösse Z, im vorliegenden Fall der Drehwinkel α der Antriebswelle 21, sowie die in Funktion des Drehwinkels α zu erzeugende magnetische Kraft Fm vorgibt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der Winkel α=0° dem unteren Totpunkt und α=180° dem oberen Totpunkt des Kolbens 3 bezüglich dem zweiten Innenraum 7, wobei die magnetische Kraft Fm am unteren Totpunkt am kleinsten ist, weil der durch die Kolbenstange 16 zwischen dem Schwerpunkt S des Kolbens 3 und dem Magnetlager 13 gebildete Hebelarm am kürzesten ist, und wobei die magnetische Kraft Fm am oberen Totpunkt am grössten ist, weil der durch die Kolbenstange 16 zwischen dem Schwerpunkt S des Kolbens 3 und dem Magnetlager 13 gebildete Hebelarm am längsten ist. Der Drehwinkels α wird mit einem nicht dargestellten Sensor gemessen und über die Signalleitung 24 der Ansteuervorrichtung 22 zugeführt. Der Kurvenverlauf K1 kann beispielsweise auf Grund von Erfahrungswerten vorgegeben werden. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn, wie in Figur 1 dargestellt, ein Kolben 3 aufweisend einen Führungsring 5 verwendet wird, wobei der Führungsring 5 an der Innenoberfläche des Zylinders 2 anliegt, und wobei die magnetische Kraft Fm dazu dient die Auflagekraft des Führungsrings 5 an der Innenoberfläche des Zylinders 2 zu reduzieren, um dadurch insbesondere einen Verschleiss des Führungsrings 5 zu reduzieren. Die in Figur 3 dargestellte Kurve K1 zeigt nur den Verlauf der magnetischen Kraft Fm in Funktion des Kurbelwellenwinkels α zwischen 0° und 180°. Im nachfolgenden, nicht dargestellten Abschnitt zwischen 180° und 360°, verläuft die Kraft Fm, ausgehend vom Wert bei 180°, in umgekehrter Richtung bis zum Wert von Fm beim Winkel von 0°, wobei dieser Wert identisch zum Wert beim Winkel von 360°.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Messvorrichtung, beispielsweise ein Sensor 26 vorgesehen, um die Lage der Kolbenstange 16 und/oder des Kolbens 3 zumindest in vertikaler Richtung zu messen. Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches die Lage der Kolbenstange 16 in vertikaler Richtung misst. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Sensor 26 nahe dem Magnetlager 13 oder sogar innerhalb des Magnetlagers 13 angeordnet, wobei der Sensor 26 vorteilhafterweise die Distanz D zwischen einem oberen Spulenkern 13a des Magnetlagers 13 und der Oberfläche der Kolbenstange 16 misst. Das Magnetlager 13 umfasst vorteilhafterweise zumindest einen oberen Spulenkern 13a mit Spule 13b sowie einen unteren Spulenkern 13c mit Spule 13d. Das Magnetlager 13 kann, wie in Figur 6 dargestellt, auch als radiales Magnetlager ausgestaltet sein, mit einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Elektromagneten, wobei deren Spulen 13b, 13d vorzugsweise einzeln ansteuerbar sind, sodass durch eine entsprechende Ansteuerung der Spulen 13b, 13d die Richtung der auf die Kolbenstange 16 bewirkte magnetische Kraft Fm bestimmt werden kann.
  • In einem vorteilhaften Betriebsverfahren wird der Ansteuervorrichtung 22 über die Sollwertvorgabe 28 ein Sollwert für die Distanz D vorgegeben, wobei die Ansteuervorrichtung 22 die Spulen 13b, 13d derart über die Signalleitung 25 mit Strom ansteuert, der die Kolbenstange 16 unabhängig von Hub s(t) bzw. vom Kurbelwellenwinkel α(t) eine im Wesentliche gleichbleibende, konstante Distanz D bezüglich dem oberen Spulenkern 13a aufweist. Die Kolbenstange 16 wirkt dabei als magnetischer Anker der beiden Spulenkerne 13a, 13b. Vorzugsweise kann das Magnetlager 13 sowohl eine nach oben gerichtete Kraft als auch eine nach unten gerichtet magnetische Anziehungskraft auf die Kolbenstange 16 bewirken, sodass die Lage der Kolbenstange 16 relativ zum Magnetlager 13 besonders präzise ansteuerbar ist.
  • Der Kolbenverdichters 1 wird somit vorteilhafterweise derart betrieben, dass eine ansteuerbare magnetische Kraft Fm auf die Kolbenstange 16 ausgeübt wird, sodass über die Kolbenstange 16 eine zumindest in vertikaler Richtung wirkende Kraft Fm, bzw. eine Entlastungskraft Fh, auf den Kolben (3) bewirkt wird auf den Kolben 3 bewirkt wird, welcher der Schwerkraft F entgegenwirkt, wobei die magnetische Kraft Fm abhängig von einer Zustandsgrösse Z wie beispielsweise der Distanz D, dem Hub s(t) oder dem Drehwinkel a(t) angesteuert bzw. verändert wird.
  • Der in Figur 4 dargestellte Längsschnitt zeigt eine an sich bekannte Packungsdichtung 12, umfassend eine Mehrzahl von Kammerringen 12a in welchen Dichtungsringe 12b angeordnet sind. Zudem umfasst die Packungsdichtung 12 ein Befestigungsteil 12c, an welchem auf nicht im Detail dargestellte Weise, alle Kammerringe 12a befestigt sind. Die Packungsdichtung 12 ist über das Befestigungsteil 12c mit einem Zylindergehäuse 2a eines Zylinders 2 verbunden, wobei eine Kolbenstange 16 durch die Packungsdichtung 12 verläuft. Das Zylindergehäuse 2a weist eine Ausnehmung auf, welche einer Aussenkontur 12d der Packungsdichtung 12 entspricht, sodass die gesamte Packungsdichtung 12 in diese Ausnehmung einführbar ist, und falls erforderlich die gesamte Packungsdichtung 12 ersetzt werden kann.
  • Figur 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Packungsdichtung 12 umfassend ein Magnetlager 13. Figur 6 zeigt einen Teilabschnitt des Magnetlagers 13, das als Radiallager ausgestaltet ist und acht Spulenkerne 13a, 13c umfasst, wobei die zwei gegenüber liegenden Spulenkerne 13a, 13c mit Bezugszeichen versehen sind. Die Spulenkerne 13a, 13c sind mit Spulen 13b, 13d umwickelt. Zudem ist die der Kolbenstange 16 zugewannt Stirnseite 13e des Spulenkerns 13a dargestellt. Die Packungsdichtung 12 gemäss Figur 5 umfasst zwei Kammerringe 12a in welchen Dichtungsringe 12b angeordnet sind. Die Packungsdichtung 12 umfasst zudem zwei Notlager 12f, 12g mit je einer Lagerfläche 12h, 12i. Bei einem Stromausfall des Magnetlagers 13 oder zum Beispiel bei abgeschaltetem Kolbenverdichters kann die Kolbenstange 16 auf den Notlagern 12f, 12g aufliegen. Die Packungsdichtung 12 umfasst zudem eine Halterung 12k für einen Sensor 26, wobei zumindest oben ein Sensor 26 angeordnet ist, und wobei vorzugsweise eine Mehrzahl von Sensoren 26 in Umfangsrichtung gegenseitig beabstandet angeordnet sind. Zudem umfasst die Packungsdichtung 12 ein Befestigungsteil 12c, mit welchem vorzugsweise alle in Figur 5 dargestellten Komponenten verbunden sind. Die Packungsdichtung 12 weist eine Aussenkontur 12d auf. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Aussenkontur 12d der erfindungsgemässen Packungsdichtung 12 ähnlich oder identisch dimensioniert wie die in Figur 4 dargestellte, bekannte Packungsdichtung 12, sodass in bestehenden Kolbenverdichtern 1 aufweisend die bekannte Packungsdichtung 12 die erfindungsgemässe Packungsdichtung 12 eingesetzt werden kann. Vorzugsweise wird ein mit der erfindungsgemässen Packungsdichtung 12 aufgewerteter Kolbenverdichter 1 zudem noch mit einer Ansteuervorrichtung 22 versehen, sodass auch bestehenden Kolbenverdichter 1 mit der erfindungsgemässen Vorrichtung versehen werden können bzw. bestehende Kolbenverdichter 1 mit dem erfindungsgemässen Verfahren betrieben werden können.
  • In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemässe Packungsdichtung 12, wie in Figur 5 dargestellt, zudem noch Kühlkanäle 12l, welche beispielsweise innerhalb des Aussenmantels 12e und/oder innerhalb der Spulenkerne 13a, 13c verlaufen, wobei die Kühlkanäle Teil eines Kühlkreislaufes ausbilden, um das Magnetlager 13 und/oder die Packungsdichtung 12 zu kühlen. Der Kühlkreislauf ist nur schematisch dargestellt, wobei die Zuführleitungen und die Abführleitungen des Kühlkreislaufs vorzugsweise derart durch das Befestigungsteil 12c verlaufend angeordnet sind, sodass das Befestigungsteil 12c von Aussen, vorzugsweise an dessen Stirnseite zugängliche Anschlüsse 12m für den Kühlkreislauf aufweist, und dass der Kühlkreislauf im Innern der Packungsdichtung 12 vorgegeben und fertig konfiguriert ist, sodass nach dem Einbau der Packungsdichtung 12 nur noch die externe Kühlmittelzufuhr von Aussen am Befestigungsteil 12c anzuschliessen ist, um den Kühlreislauf im Innern der Packungsdichtung 12 mit Kühlflüssigkeit zu versorgen. In Figur 5 sind insbesondere die innerhalb das Notlauflagers 12g angeordneten, die Kühlkanäle 12l gegenseitig Fluid leitend verbindenden Verbindungskanäle nicht dargestellt.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäss Figur 1 ist ein Kolbenkompressor 1 umfassend einen Kolben 3 mit Kolben- bzw. Dichtringen 4 sowie einem Führungsring 5 dargestellt. Auf den Führungsring 5 könnte verzichtet werden. In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel könnte der Kolben 3 auch als Labyrinthkolben ausgestaltet sein, wobei dieser Labyrinthkolben die Innenwand des Zylinders 2 vorzugsweise nicht berührt.

Claims (15)

  1. Kolbenverdichter (1) zum Verdichten eines Gases, umfassend einen in Wesentlichen in horizontaler Richtung verlaufenden Zylinder (2) sowie umfassend einen Kolben (3), eine Kolbenstange (16), eine Packungsdichtung (12), einen Kreuzkopf (17) sowie einen Antrieb (21), wobei der Kolben (3) in einer Längsrichtung (L) beweglich innerhalb des Zylinders (2) angeordnet ist, wobei der Kolben (3) über eine Kolbenstange (16) mit dem Kreuzkopf (17) verbunden ist, wobei zwischen dem Kolben (3) und dem Kreuzkopf (17) eine Packungsdichtung (12) angeordnet ist, durch welche die Kolbenstange (16) verläuft, und wobei der Kreuzkopf (17) durch den Antrieb (21) angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kolben (3) und dem Kreuzkopf (17) zudem ein ansteuerbares Magnetlager (13) angeordnet ist, dass das Magnetlager (13) zumindest senkrecht zur Längsrichtung (L) eine magnetische Kraft (Fm) auf die Kolbenstange (16) bewirken kann, und dass eine Ansteuervorrichtung (22) die vom Magnetlager (13) auf die Kolbenstange (16) bewirkte magnetische Kraft (Fm) ansteuert.
  2. Kolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsdichtung (12) als ein Austauschteil ausgestaltet ist, und dass die Packungsdichtung (12) sowohl zumindest einen Dichtungsring (23) als auch das Magnetlager (13) umfasst.
  3. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) als ein Labyrinthkolben ausgestaltet ist.
  4. Kolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) eine Mehrzahl von Dichtungsringen (4) und vorzugsweise zudem einen Führungsring (5) umfasst.
  5. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsdichtung (12) und das Magnetlager (13) Kühlkanäle (12l) für eine Kühlmittel umfasst.
  6. Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (26) angeordnet ist zum Erfassen einer Zustandsgrösse (Z), wobei die Zustandsgrösse (Z) zumindest eine der nachfolgenden Grössen umfasst: Verschiebeweg des Kolbens im Zylinder, Verschiebeweg der Kolbenstange in Verlaufsrichtung der Kolbenstange, Verschiebeweg der Kolbenstange senkrecht zur Verlaufsrichtung der Kolbenstange, Drehwinkel der Antriebswelle, Spaltbreite innerhalb des Magnetlagers (13) zwischen Kolbenstange (16) und einem Magnet des Magnetlager (13).
  7. Verfahren zum Betrieb eines Kolbenverdichters (1) umfassend einen Kolben (3), der in einer Längsrichtung (L) innerhalb eines Zylinders (7) hin und her bewegt wird, wobei die Längsrichtung (L) im Wesentlichen in horizontaler Richtung verläuft, wobei der Kolben (3) über eine Kolbenstange (16) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine ansteuerbare, zumindest senkrecht zur Längsrichtung (L) wirkende, magnetische Kraft (Fm) auf die Kolbenstange (16) ausgeübt wird und dadurch über die Kolbenstange (16) eine Entlastungskraft (Fh) auf den Kolben (3) bewirkt wird, wobei die magnetische Kraft (Fm) in Abhängigkeit einer Zustandsgrösse (Z) angesteuert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgrösse (Z) zumindest eine der nachfolgenden Grössen umfasst, Verschiebeweg des Kolbens (3) im Zylinder (7), Verschiebeweg der Kolbenstange (16) in Längsrichtung (L), Bewegung der Kolbenstange (16) senkrecht zur Längsrichtung (L), Bewegung des Kolbens (3) senkrecht zur Längsrichtung (L), Drehwinkel einer die Kolbenstange (16) antreibenden Antriebswelle (21); Spaltbreite innerhalb des Magnetlagers (13) zwischen Kolbenstange (16) und einem Magnet des Magnetlager (13).
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandsgrösse (Z) die gegenseitige Lage von der Kolbenstange (16) und dem Magnetlager (13), senkrecht zur Längsrichtung (L) der Kolbenstange (16), gemessen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gegenseitige Abstand von Kolbenstange (16) und Magnetlager (13), senkrecht zur Längsrichtung (L) der Kolbenstange (16), konstant gehalten wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) ohne Wandberührung im Zylinder (7) gehalten wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Kraft (Fm) mittels einer Vorsteuerung angesteuert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Kraft (Fm) in Funktion der Zustandsgrösse (Z) fest vorgegeben ist.
  14. Packungsdichtung für einen Kolbenverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend in einer Längsrichtung (L) nacheinander folgend angeordnet zumindest ein Befestigungsteil (12c), ein Magnetlager (13), sowie zumindest einen Kammerring (12a) mit darin angeordnetem Dichtungsring (12b).
  15. Packungsdichtung nach Anspruch 14, umfassend in Längsrichtung (L) gegenseitig beabstandet angeordnet zumindest zwei Notlager (12f, 12g).
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