DE102006011560A1

DE102006011560A1 - Verdichter mit Schwenkkolben

Info

Publication number: DE102006011560A1
Application number: DE102006011560A
Authority: DE
Inventors: Robert Adler; Georg Siebert; Martin Stehrlein
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-09-13
Also published as: DE502007001801D1; ATE446448T1; EP1994283B1; US20090136373A1; WO2007104399A1; EP1994283A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter (1) für kryogene Medien mit zumindest einem Verdichterzylinder (4), in dem ein Verdichterkolben (5) angeordnet ist, wobei der Verdichterkolben (5) mittels einer Pleuelstange (6) mit einer Kurbelwelle (3) in Wirkverbindung steht. Zur Lösung der Aufgabe, bei geringem Herstellaufwand einen sicheren Betrieb und eine hohe Lebensdauer des Verdichters zu erzielen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Verdichterkolben (5) als Schwenkkolben (16) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter für kryogene Medien mit zumindest einem Verdichterzylinder, in dem ein Verdichterkolben angeordnet ist, wobei der Verdichterkolben mittels einer Pleuelstange mit einer Kurbelwelle in Wirkverbindung steht.

Bei derartigen Verdichtern für kryogene Medien, beispielsweise Stickstoff, Erdgas oder Wasserstoff in jeweils flüssigem oder gasförmigem Zustand, sind Bauformen bekannt, bei denen der Verdichterkolben in dem Verdichterzylinder längsverschiebbar angeordnet ist, um ein kryogenes Medium, beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff, zu verdichten. Der Verdichterkolben führt hierbei eine Linearbewegung in dem Verdichterzylinder aus. Der Verdichterkolben steht hierbei mittels einer Pleuelstange mit einer Kurbelwelle in Verbindung, wobei zwischen dem Verdichterkolben und der Pleuelstange ein Drehgelenk erforderlich ist. Zum sicheren Betrieb und für die Erzielung einer hohen Lebensdauer des Verdichters ist eine ausreichende Schmierung der Linearführung zwischen Verdichterzylinder und Verdichterkolben sowie des Drehgelenks zwischen Pleuelstange und Verdichterkolben sicherzustellen. Bei tiefen, kryogenen Temperaturen des zu verdichtenden Mediums erfordert jedoch die Schmierung der Linearführung sowie des Drehgelenks einen hohen Bauaufwand, wodurch der Verdichter für einen sicheren Betrieb und eine hohe Lebensdauer hohe Herstellkosten aufweist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, der bei geringem Herstellaufwand einen sicheren Betrieb und eine hohe Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Verdichterkolben als Schwenkkolben ausgebildet ist. Durch die Ausbildung des Verdichterkolbens als Schwenkkolben, der in dem Verdichterzylinder eine Pendelbewegung zur Verdichtung des kryogenen Mediums durchführt, kann durch den Entfall des Drehgelenks zwischen dem Verdichterkolben und der Pleuelstange und dem Entfall der Linearbewegung und somit der Linearführung des Verdichterkolbens mit geringem Bauaufwand die Schmierung des Verdichterkolbens sichergestellt werden, wodurch mit geringem Herstellaufwand eine hohe Lebensdauer des Verdichters erzielt wird.

Ein einfacher Antrieb des Verdichterkolbens ergibt sich, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Kurbelwelle als eine in einem Kurbelwellengehäuse angeordnete Exzenterwelle ausgebildet ist. Mit einer derartigen Exzenterwelle kann auf einfache Weise die Pendelbewegung des Verdichterzylinders erzielt werden.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der Schwenkkolben gemäß einer Ausgestaltungsform der Erfindung einen Kolbenboden aufweist, wobei die Pleuelstange mit dem Kolbenboden starr verbunden ist. Die Pleuelstange kann beispielsweise an dem Kolbenboden einstückig ausgebildet sein. Durch die starre Verbindung des Kolbenbodens mit der Pleuelstange, beispielsweise eine an dem Kolbenboden angeformte Pleuelstange, wird ein einfacher Aufbau mit geringem Herstellaufwand erzielt.

Zweckmäßigerweise ist die Pleuelstange mit einem an der Exzenterwelle drehbar angeordneten Pleuelauge verbunden. Die Pleuelstange kann beispielsweise mittels einer Schraubverbindung mit dem Pleuelauge verbunden werden, wobei das Pleuelauge mittels eines Wälzlagers an der Exzenterwelle drehbar angeordnet ist. Hierdurch kann mit geringem Bauaufwand der Schwenkkolben mit der Exzenterwelle verbunden werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Schwenkkolben zur Abdichtung gegenüber dem Verdichterzylinder mit zumindest einer Dichtungseinrichtung versehen.

Die Dichtungseinrichtung ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform mit einer balligen Außenfläche versehen. Mit einer balligen Außenfläche der Dichtungseinrichtung wird auf einfache Weise und bei geringen Reibungsverlusten eine Abdichtung zwischen dem Verdichterkolben und der Zylinderwand des Verdichterzylinders bei der von dem Verdichterkolben ausgeführten Pendelbewegung erzielt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtungseinrichtung mit einer Federeinrichtung in Wirkverbindung steht. Mit einer Federeinrichtung kann die Druckkraft der Dichtungseinrichtung an die Zylinderwand des Verdichterzylinders auf einfache Weise erhöht werden, wodurch eine sichere Abdichtung erzielt wird.

Die Federeinrichtung ist zweckmäßigerweise als Wellenfeder ausgebildet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Schwenkkolben mit einer an dem Kolbenboden in Umfangsrichtung angeordneten, nutförmigen Ausnehmung versehen, in der die Dichtungseinrichtung angeordnet ist. In einer derartigen nutförmigen Ausnehmung kann die Dichtungseinrichtung auf einfache Weise angeordnet werden.

In dieser nutförmigen Ausnehmung kann ebenfalls die Federeinrichtung auf einfache Weise angeordnet werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kurbelwellengehäuse mit einem Pufferbehälter in Verbindung steht, der von dem von dem Verdichter erzeugten Ausgangsdruck beaufschlagt ist. Hierdurch wird erzielt, dass die Unterseite des Kolbenbodens, die gegenüberliegend zu der in dem von dem Verdichterzylinder und dem Verdichterkolben gebildeten Verdichterraum angeordneten Kolbenoberseite angeordnet ist, von dem von dem Verdichter erzeugten Ausgangsdruck beaufschlagt ist, wodurch die Pleuelstange im Verdichtertakt lediglich geringe Druckkräfte übertragen muss und entsprechend klein dimensioniert werden kann.

Besondere Vorteile sind erzielbar, wenn gemäß einer Ausgestaltungsform der Erfindung der Pufferbehälter von einer den Verdichter aufnehmenden Druckkapsel gebildet ist. Durch die Anordnung des Verdichters in einer Druckkapsel wird erzielt, dass Leckagen und Undichtigkeiten des Verdichters nicht an die Umgebung abgegeben werden, sondern in der Druckkapsel gespeichert werden. Zudem kann die Druckkapsel die Funktion eines Pufferbehälters übernehmen, wodurch ein separater Pufferbehälter, beispielsweise zusätzliche Pufferflaschen, entfallen können. Zudem kann durch die die Funktion des Pufferbehälters aufweisende Druckkapsel mittels einer einfachen Verbindungsbohrung im Kurbelwellengehäuse erzielt werden, dass das Kurbelwellengehäuse und somit die Kolbenunterseite mit dem Ausgangsdruck des Verdichters beaufschlagt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verdichter einen Zylinderkopf aufweist, in dem ein Einlasskanal und ein Auslasskanal ausgebildet ist, wobei dem Einlasskanal ein Einlassventil und dem Auslasskanal ein Auslassventil zugeordnet ist und der Einlasskanal mit einer Drosseleinrichtung versehen ist. Mit einer derartigen, dem Einlasskanal zugeordneten Drosseleinrichtung, beispielsweise einer im Zylinderkopf ausgebildeten Drosselbohrung des Einlasskanals, wird auf einfache Weise erzielt, dass an der von der Drosselbohrung gebildeten Drosselstelle ein Druckabfall auftritt. Bei zuströmendem flüssigen Medium ist dieser Druckabfall aufgrund der höheren Dichte des Mediums groß, wodurch das Medium in den gasförmigen Zustand übergeht. Bei zuströmendem gasförmigen Medium ist der auftretende Druckabfall entsprechend gering. Mit der Drosselstelle wird somit erzielt, dass sowohl bei zuströmendem flüssigen Medium als auch bei zuströmendem gasförmigen Medium eine nahezu konstante Eingangsdichte und Eingangstemperaturen des Verdichters gehalten werden kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt
1 einen erfindungsgemäßen Verdichter in einem perspektivischen Längsschnitt,
2a den Verdichter im oberen Totpunkt,
2b den Verdichter im Ansaugtakt,
2c den Verdichter im unteren Totpunkt
2d den Verdichter im Verdichtertakt,
3 den Verdichterkolben in einer Teilansicht,
4 den Schnitt durch den Zylinderkopf und
5 die Wellenfeder in einer Draufsicht.
In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Verdichter 1 in einem Längsschnitt dargestellt. Der Verdichter weist ein Kurbelwellengehäuse 2 auf, in dem eine Kurbelwelle 3 drehbar gelagert ist. An dem Kurbelwellengehäuse 2 ist ein Verdichterzylinder 4 angeordnet, in dem ein Verdichterkolben 5 angeordnet ist. Zwischen dem Verdichterzylinder 4 und dem Verdichterkolben ist ein Verdichterraum 14 ausgebildet.
Der Verdichterkolben 5 weist eine Pleuelstange 6 auf, mittels der der Verdichterkolben 5 mit der Kurbelwelle 3 in Wirkverbindung steht. An dem Verdichterzylinder 4 ist ein Zylinderkopf 7 angeordnet, in dem ein Einlasskanal 9 und ein Auslasskanal 10 ausgebildet ist. In dem Einlasskanal 9 ist ein Einlassventil 11 angeordnet. Der Auslasskanal 10 ist mit einem Auslassventil 12 versehen.
Der Verdichter 1 ist von einer Druckkapsel 13 umgeben, die von einem den Verdichter 1 umgebenden Gehäuse gebildet ist. Die Druckkapsel 13 ist dem von dem Verdichter erzeugten Ausgangsdruck beaufschlagt und weist die Funktion eines Pufferbehälters auf. Das Kurbelwellengehäuse 2 ist mit einem Verbindungskanal 15, beispielsweise eine Verbindungsbohrung, versehen, die eine Verbindung der Druckkapsel 13 mit dem Innenraum des Kurbelwellengehäuses 2 herstellt. Hierdurch wird erzielt, dass die Kolbenunterseite 22 des Verdichterkolbens 5 von dem in der Druckkapsel 13 anstehenden Ausgangsdruck des Verdichters 1 beaufschlagt ist.
Wie aus den 2a bis 2d gezeigt ist, ist der Verdichterkolben 5 erfindungsgemäß als Schwenkkolben 16 ausgebildet, der einen Kolbenboden 17 aufweist, an dem die Pleuelstange 6 einstückig angeformt ist. Die Pleuelstange 6 ist an einem Pleuelauge 18 befestigt, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung, das mittels eines Wälzlagers 19 an der Kurbelwelle 3 drehbar gelagert ist. Die Kurbelwelle 3 ist hierbei als Exzenterwelle mit einem an der Kurbelwelle 3 angeordneten Exzenter 20 ausgebildet, an dem das Wälzlager 19 und somit das Pleuelauge 18 angeordnet ist. Der Verdichterkolben 5 ist mit einer Dichtungseinrichtung 26 versehen, die an der Zylinderwand 27 des Verdichterzylinders 4 anliegt.
In der 2a ist der Verdichter 1 im oberen Totpunkt dargestellt. Bei einer Drehung der Kurbelwelle 3 in Richtung 21 gelangt in den in der 2b dargestellten Ansaugtakt, in dem über den Einlasskanal 9 zu verdichtendes Medium in den zwischen dem Verdichterkolben 5 und dem Verdichterzylinder 4 gebildeten Verdichterraum 14 einströmt. Bei weiterer Drehung der Kurbelwelle 3 in Richtung 21 gelangt der Verdichter 1 über den in der 2c dargestellten unteren Totpunkt in den in der 2d dargestellten Verdichtertakt, in dem verdichtetes Medium in den Auslasskanal 10 gefördert wird. Durch die Verbindung des Innenraums des Kurbelwellengehäuses 2 mit der Druckkapsel 13 mittels des Verbindungskanals 15 wird erzielt, dass die Kolbenunterseite 22 des Schwenkkolbens 16 von dem in der Druckkapsel 13 anstehenden Ausgangsdruck beaufschlagt ist, wodurch die Pleuelstange 6 im Verdichtertakt lediglich geringe Druckkräfte übertragen muss.
Der als Schwenkkolben 16 ausgebildete Verdichterkolben 5 führt hierbei im Ansaugtakt und Verdichtertakt eine Pendelbewegung aus.
In der 3 ist der Schwenkkolben 6 im Bereich des Kolbenbodens 17 dargestellt. Der Schwenkkolben 16 ist im Bereich des Kolbenbodens 6 mit einer in Umfangsrichtung angeordneten nutförmigen Ausnehmung 25 versehen, in der die Dichtungseinrichtung 26 angeordnet ist. Die Dichtungseinrichtung 26 ist hierbei mit einer, der Zylinderwand 27 des Verdichterzylinders 4 zugewandten balligen Außenfläche 28 versehen. In der Ausnehmung 25 ist weiterhin eine Federeinrichtung 29 angeordnet mittels der die Dichtungseinrichtung 26 an die Zylinderwand 27 gepresst wird. Mit einer Dichtungseinrichtung 26 mit einer balligen Außenfläche, mittels der die Dichtungseinrichtung 26 an der Zylinderwand 27 des Verdichterzylinders 4 anliegt, wird auf einfache Weise und mit geringen Reibungsverlusten eine Abdichtung des Verdichterraums 14 bei der von dem Schwenkkolben 16 durchgeführten Pendelbewegung erzielt.
Die Federeinrichtung 29 ist hierbei- wie in 5 dargestellt ist – als Wellenfeder 30 mit einer wellenförmigen Gestalt ausgebildet.
In der 4 ist der Zylinderkopf 7 in einem Längsschnitt dargestellt. Der Zylinderkopf 7 ist mit dem Einlasskanal 9 und dem Auslasskanal 10 versehen und weist Verbindungsbohrungen 35 zur Verbindung des Einlasskanal 9 bzw. des Auslasskanals 10 mit dem Verdrängerraum 14 auf.
Der Einlasskanal 9 ist mit einer Durchmesserverengung 36 versehen, die eine Drosseleinrichtung 37 für das einströmende Medium bildet. Mit dieser Drosseleinrichtung 37 wird erzielt, dass der Verdichter 1 sowohl bei gasförmigem Medium als auch bei flüssigem Medium mit nahezu konstanter Eingangsdichte und Eingangstemperatur des zu verdichtenden Mediums betrieben werden kann.

Claims

Verdichter für kryogene Medien mit zumindest einem Verdichterzylinder, in dem ein Verdichterkolben angeordnet ist, wobei der Verdichterkolben mittels einer Pleuelstange mit einer Kurbelwelle in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichterkolben (5) als Schwenkkolben (16) ausgebildet ist.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (3) als eine in einem Kurbelwellengehäuse (2) angeordnete Exzenterwelle ausgebildet ist.
Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkkolben (16) einen Kolbenboden (17) aufweist, wobei die Pleuelstange (6) mit dem Kolbenboden (17) starr verbunden ist.
Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelstange (6) mit einem an der Exzenterwelle drehbar angeordneten Pleuelauge (18) verbunden ist.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkkolben (16) zur Abdichtung gegenüber dem Verdichterzylinder (4) mit zumindest einer Dichtungseinrichtung (26) versehen ist.
Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (26) mit einer balligen Außenfläche (28) versehen ist.
Verdichter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungseinrichtung (26) mit einer Federeinrichtung (29) in Wirkverbindung steht.
Verdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (29) als Wellenfeder (30) ausgebildet.
Verdichter nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkkolben (16) mit einer an dem Kolbenboden (17) in Umfangsrichtung angeordneten, nutförmigen Ausnehmung (25) versehen ist, in der die Dichtungseinrichtung (26) angeordnet ist.
Verdichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der nutförmigen Ausnehmung (25) die Federeinrichtung (29) angeordnet ist.
Verdichter nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelwellengehäuse (3) mit einem Pufferbehälter in Verbindung steht, der von dem von dem Verdichter (1) erzeugten Ausgangsdruck beaufschlagt ist.
Verdichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferbehälter von einer den Verdichter (1) aufnehmenden Druckkapsel (13) gebildet ist.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1) einen Zylinderkopf (4) aufweist, in dem ein Einlasskanal (9) und ein Auslasskanal (10) ausgebildet ist, wobei dem Einlasskanal (9) ein Einlassventil (11) und dem Auslasskanal (10) ein Auslassventil (12) zugeordnet ist und der Einlasskanal (9) mit einer Drosseleinrichtung (37) versehen ist.