DE1428001A1

DE1428001A1 - Selbsttaetige Steuerung fuer hydraulisch angetriebene Membran-Kompressoren oder -pumpen fuer sehr hohen Druck

Info

Publication number: DE1428001A1
Application number: DE19631428001
Authority: DE
Inventors: Bauer Dipl-Ing Helmut
Original assignee: Maschinenfabrik Burckhardt AG
Current assignee: Burckhardt Compression AG
Priority date: 1962-04-24
Filing date: 1963-02-15
Publication date: 1969-02-06
Also published as: CH405583A; US3286640A; GB1003596A

Description

Dipl.-lng. W. PAAP «| / j η « m « MÖNCHEN 22, d._n..J 5..... EehX!uar....lSl63

pi.-ing. H. Mf TSCH E R L! CH flÜÜ,/** »ί

^{r β} Taiefoits 29 66 84

ipl.-litg. K. GUKSCHMANN

PATENTANWÄLTE !"all 31

Maschinenfabrik Burckhardt A.Gr.

Basel (Schweiz) Dornacherstraße 192 —-.

Patentanmeldung

Selbsttätige Steuerung für hydraulisch angetriebene Membran—Kompressoren oder -pumpen für sehr hohen Druck

sind Membran-Kompressoren oder Membran-Pumpen bekannt, die es gestatten, Flüssigkeiten oder Gase ohne ;jede Verunreinigung durch SchmJaTnittel und ohne Undichtigkeiten zu föraern·

Die Erfindung bezweckt, derartige Kompressoren oder Pumpen für die Verwendung bei ausserordentlich hohen Drücken von mehreren tausend atm verwendbar zu machen.

Vor der Erläuterung des Wesens der Erfindung wird das zu lösende Probelm erklärt.

In Fig. 1 der Zeichnung ist im Schnitt ein derartiger Membran-Kompressor dargestellt. 1 bezeichnet die Membran, die an ihrem aueseren Umfang zwischen dem Ventilkopf 2 und dem Zylinder 3 eingespannt ist. im Ventilkopf 2 sind Bohrungen 4 und 5 für nicht dargestellte Saug— und Bruckventile vorgesehen.

Der Baum 6 über der Membran dient als üompressionsraum, während der Baum 7 der Membran mit einer geeigneten Flüssigkeit

909808/0182 - ² -

BAD ORIGINAL

gefüllt ist, die durch die Bewegung des Plungers 8 verdrängt wird und dadurch die Membran durchbiegt. Der Plunger ist durch Dichtungen 9 und 10 nach aussen abgedichtet. Die Verdrängungsflüssigkeit im Saum Y ist durch die membran I von der Eörderflüssigkeit xm Saum € vollkommen getrennt.

Ue r Plunger 8 wird im allgemeinen et «roh einen normalen Kurbelantrieb hin— und herbewegt« Zur Yerwirklichung der Erfindung ist es zweckmässig, ihn durch einen hydraulxschen Antrieb zu bewegen. Dies erfolgt draroh einen Antriebs kolben 11, indem die Räume über und unter dent Antriebskolben abwechselnd mit Druckflüssigkeit gefüllt werden. Die hierzu erforderliche Einrichtung ist für die Erfindung unerheblich und, da an sich bekannt, in der Zeichnung nicht dargestellt» Sie kann beispielsweise aus einem Steuerschieber bestehen, der durch bekannte und übliche Mittel im oberen und unteren Ende des Hubes umgesteuert wird»

Um die Probleme zu erläutern, die im Betrieb einer der— \ artigen Maschine auftreten, ist es notwendig, zunächst die DruGkveränäerungen zu betrachten, die beim Betrieb einer derartigen !faschine auftreten.»

Die auftretenden Diagramme sind in Ug₀ 2 dargestellt, wobei 12 das untere Ende und 15 das obere'Ende des Hubes des Plungers bedeutet» Die Strecke zwischen den Linien 12 und 13 entspricht damit dem rom Plunger verdrängten Volumen«»

m-Beginn des DruGkhubes herrsaht im IPörderraum 6 und daher ebenfalls im Terdrängungsraum T der Ansaugdruok 14*

909808/0182 _

BAD ORIGINAL

Während des Druokhubes wird zunächst das im Baum 6 befindliche Gas bis auf den Druck 15 komprimiert und anschliessend durch das Druckventil ausgeschoben. Nun ist es notwendig, aus verschiedenen Gründen das Hubvolumen des Plungers 8 grosser zu machen als das Hubvolumen der "Membran 6, die sich nur zwischen den beiden gewölbten Eegrenzungsflachen im Zylinder und im Ventilkopf 2 bewegen kann. Das im Verdrängungsraum 7 befindliche Verdrängermedium ist ebenfalls kompressibel, die Wände des Zylinders 3 dehnen sich unter hohem Druck aus und sohliesslioh kann nicht mit einer vollständigen Dichtheit der Abdichtung 9 gerechnet werden. Da zur Kompensation dieser Einflüsse das Hubvolumen des Plungers 8 grosser ist als das Hubvolumen der -""embran 1, wird sich die Membran an die obere Begrenzungsfläche im Ventilkopf 2 bereits im Punkt 16 anlegen, bevor das Ende des Plungerhubes 13 erreicht ist. Da sich der Plunger 8 hingegen bis zum Hubende weiterbewegen will, wird nun eine ausserordentlieh rasche Drucksteigerung im Baum 7 eintreten.

Während des Kompressionshubes ist die Membran 1 nicht sehr stark beansprucht, da die Drücke in den Räumen 6 und 7 praktisch gleich sind«, Nachdem sich Jedoch die Membran an die obere Begrexmngsflache gelegt hat und nachdem im Baum 7 eine sehr starke Drucksteigerung eingetreten ist, kann die Membran gefährdet werden, da diese Druoksteigerung versucht, die Membran in die Öffnungen der Saug- und Druokkanäle hineinzutreiben und gewissermassen durchBUStanzen. Die Drucksteigerung muss daher auf einen Wert begrenzt werden, welcher für die J^embran noch

- 4 -909808/0182

BAD ORIGINAL

srträglloh let» Biea gesaMelit nomeXerwsis® guroh ein Sicherheitsventil, welches β© eingestallt istg dass bei ErraicJien eine© unsehäeiiiDii®& tfberi^tiokes 17 äas aus öem Saum 7 e&tiseiohen kann«,

Bei ausgeroräentlioh hohen Brüsten atm. ist dies© Einrichtung jeäooli niaht m&hr Wenn die Hasehin© mit einem geringeren Eniäruek 18 "betrieben e_s so würäe die it@mbran bereits frisier» s»B· Iu iunkt Anliegen "an öi© obere Begreiieungsflioli« koaaaeii_s da bei geringeren Enüöruok Sie Kompressibilität ä®3 Oele» Sie. elaeti-Au8\seit«ng öse Zylinder» una öle Unitöhtigk«it ä©r 9 kein* s© groBee £©11® spielia* lsi der wtiterea äs» Plunger» B wür&s dann ^i^t^iia sine sehr Brautet«igerung folgen, ül® erat bteafiat" mirae₉. f?$tm Üb'fs>äru@kvQntll, ^elohs» auf i®n Bs¹UOk if. «infMttll/t ias üb$rflustige Terir&Bguiagsmittel^:»T&flituien lässt« Bi« Bruokdlffffsag! ?r3.-ieoh«n &·ηDrüeksa 17 uml 19 ^«aa j«dooh leicht mehrere tausend atm» betragen >m£ 1st aaher für öle nioht mehr zulässig·

Älänlioht Terhältniss« t?geb@n sieh $@im EU«kgmng dta Plunger« 8, Das im iohüHliehen Eftua oberhalb der Meabran tiBgeeelilosetas Gtas «ira aux-äohec ?oa Bruftk l£ Ui a«f dan Battgdruek 20 ·£ρβηβleren, welohtr glettii 41« Anfangeirütk ist· Beia Arbeiten «it geringerem SndflE'Uök 19 hüHä die

sun Itinkt Sl i*kei» Xa *etitn'fäUlen *tH el** äas AneauitäruokY*iatil^: «ff*** tt*i »tu 6 üb§r d«r ÄiKbran lurckßpfüiirt· Da Druokhub öfe^eii Unätehtlgkeit öar Paakuae 9 *t»*fc

9^9606/0111

vom Verdrängungemittel verloren gegangen ist, wird die Membran breit· im Punkt 22 an der unteren gewölbten Begranaungsfläche im Zylinder 3 »um Anliegen kommen und beim weiteren Abwärtsgang dee Plungers 8 wird ein rapider Druckabfall eintreten. Wenn mit hohen Ansaugdrüoken gearbeitet wird, wie dies insbesondere bei sogenannten Zirkulationepumpen vorkommt, kann auch hier wieder die Membran durch den auftretenden Druckunterschied beschädigt werden* Dieser Druckunterschied versucht die Membran 1 in die Zylinderbohrung hineinzupressen und durchzustanaen.

Die Erfindung hat nua den Zweok, diese Schwierigkeiten zu vermeiden, indem Mittel und Wege geschaffen werden, die die möglichen Überdrücke am Ende des Druckhubes und ih Ende des Saughubes jeweils auf ein unschädliches Maß begrenzen, wobei. diese Begrenzung automatisch den jeweils vorliegenden Saug- und Enddrücken angepaßt wird.

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß Mittel vorgesehen sind, welche abhängig von der Überschreitung des Betriebs- ™ druckes Im Kompressorzylinder um ein bestimmtes, unschädliches Maß den Druokhub beenden.

Hierzu wird eine einrichtung vorgeschlagen, welche die jeweils herrschenden Saug- und Enddrüoke registriert und gewissermaßen la Gedächtnis behält baw. speiohert, xm sie mm 'luböirrJs mit den auftretenden Über« oder Unterdrücken zu vergleichen xma <d».nn die erforderlichen Maßnahmen einzuleiten, um di··« Über- ed^r Uatcr« drUoke auf das gewünschte unschädliche Maß xu l-s ;icliränk*n.

909806/0182 · ^Ä -

BAD ORIGiNAL

.6- 1

Da die Drücke im Kompressionsrauni 6 ai hoch sind waä daher nur mit komplizierten und empf^inäliahen Geräten gemessen werden können, werden statt dessen gemäss der Erfindung die Sreibmittel-Drücke unter dem Kolben 11 gemessen» Diese Drücke sind im Verhältnis der Querschnittfläche des Plungers 8 und des Kolbens 11 geringer» verlaufen aber " grunäsätzlioh genau gleioh wie die in Sig. 2 dargestellten Diagramme.

Zur Begrenzung des Überdruckes am Ende des Kompressionshubes ist es naoh Vorstehendem notwendig^ eine Information darüber zu erhalten, wie gross der 'Ireibmittelöruok ist, der dem Gasdruck 15 und 16 entspricht» Dies erfolgt durch ein gesteuertes Entnahmeventil, welches während der kurzen Zeit

23 bis 24 die Messeinrichtung mit dem Zylinderinneren in Verbindung bringt»

In.Fig. 1 ist dieses Entnahmeventil mit 25 bezeichnet, *" und es wird öuroh eine Kurvenbahn 26 gesteuert ₉ die mit der * Kolbenstang© in Verbindung steht. Diese Kurvenbahn hat eine Vertiefung entsprechend".der Strecke 23 bis 24» und das Entnahmeventil 25 öffnet sich infolgedessen unter dem Einfluss der feder 27 beim Durohlaufen dieser Streoke»

leiter ist es näoh. forstehendem notwendig, diese Information über die Höhe des normalen Druckes bis sum Hubende zu speichern· Dies geschieht in einem hydraulischen Akkumulator 28j welchem öursli ä±& tessohrieMn© Einrichtung genau auf .^aaigesa Druck aufgefüllt mrdg .der "eährsiiä d&r.Se&t 23 bia

24 is SfIiBG®i^re geiierrgoiit hat©

BZ .-■ .· BAD

Auch während des Abwärtsganges des Kolbens wird das Entnahmeventil 25 beim Durchlaufen der Strecke 23 bis 24 geöffnet» Während dieser Zeit herreoht aber im Treibzylinder ein geringerer Druck· Um zu verhindern, dass der Akkumulator 28 sich entleert, ist ein Absperrschieber 29 vorgesehen, der nur während dee Aufwärt ahub β β der Maschine die Verbindung freigibt, beim Abwärtshub hingegen sioh versohliesst. Die Steuerung dieses Absperrschiebers 29 ißt in der Fig. 1 nicht dargestellt, da sie für die Erfindung unerheblioh ist. Sie kann in sehr einfacher Weise in Abhängigkeit von der Stellung des ebenfalls nioht dargestellten Steuerschiebers erfolgen·

deaäss der vorstehend gegebenen Erläuterung des Erfindungsprinsipes nuss nun die gespeicherte Information über den Druck dazu verwendet werden, den Druukhub zu beenden, wobei die Membran 1 an der oberen Begrenzungsflache anliegt· Die« geschieht durch einen Steuerkolben 30, welcher auf der einen Endfläche 31 von dea unter dea Treibkolben Il herrschenden Druck beaufschlagt ist, auf der anderen gleich grossen fläche 32 Jedoch von dem im •peiofaer 26 herrschenden Druck und von einer feder 33· Solange HtM Diagram« zwischen den funkten 1$ und 16 verläuft, herreoht sowohl auf der fläche 31 wie auch auf der fläohe 32 der gleiche Druck, so dass der Kolben unter der Einwirkung der feder 39 in die linke, gezeichnete Stellung gehen muss* Sobald sioh nach Überschreiten de· Punkte* 16 die Membran 1 an der oberen Begren-•ungafllehe anlegt, beginnt eine rapide Drucketelgerung unter dea Kolben 11, welohe sofort auf dl· fläohe 91 das Steuerkolbeas SO wirkt« Die fläche 32 steht jedοah nach wie vor unter der «in-

- · -909106/0182

BAD ORIGINAL

U28001

wirkung des gespeicherten Druckes 28. Sobald der Druckanstieg vom Punkt 16 bis 17 die Kraft der leder 33 übersteigt, geht infolgedessen der Steuerkolben 30 in die reohte Endlage«,

Diese Bewegung des Steuerkolbens kann dazu verwendet werden, die Umsteuerung des Kolbens 11 zu bewirken und damit den Druokhub zu beenden» Die hierzu erforderlichen Mittel sind bekannt und für die Erfindung unerheblich und deshalb in Hg. 1 auch nicht dargestellt. Der ebenfalls nioht dargestellte Hauptsteuersahieber» der die Ölverteilung auf die beiden Seiten des Kolbens 11 bewirkt, könnte z.B. duroh mechanische Mittel oder duroh eine bekannte hydraulische Folgesteue?- rung oder durch eine Kombination von elektrischen Kontakten unä Magnetventilen umgesteuert werden·

Es ist ohne weiteres verständlich, dass diese Einrichtung in vollständig gleicher Weise arbeitet, wenn der Enddruok der Maschine verändert wird. -

Wenn z.B. mit dem Enddruok 18/19 gearbeitet wird, so wird während der kurzen JBntnahmeperioäe 34/35 dieser Druck im Speicher 28 gespeichert. Nach Überschreiten des Punktes 19 wird der Steuerschieber 30 durch den auftretenden Überdruck wiederum in die rechte Lage geschoben. Es ist ebenfalls einleuchtend, dass der auftretende überdruck 36 bis 19 gleich gross sein muss wie der früher aufgetretene Überdruck 17 bis 16, nämlich wiederum entsprechend der Spannung der Feder 35. Duroh entsprechende Wahl der Spannung der Feder 33 let ee leicht möglich, diesen Überdruck auf einen Wert eu beschränken, der für die Membran ungefährlich ist» Damit ist dt· Ziel, die

909806/0182 - 9 -.

ORIGINAL -

Membran gegen Überlastung am Ende des Druckhubes zu sohützen, unabhängig von wechselnden Enüdrücken, erreicht»

Sollte es infolge sehr starker Verschiedenheit der Diagramme notwendig werden, die zeitliohe lage der Entnahmeperiode 23/24 oder 34/35 zu ändern (wie dies im Diagramm absichtlich übertrieben dargestellt ist), so kann auch diese zeitliche Änderung leicht erreicht werden, indem das Kurvenstück 26 relativ zur Kolbenstange verschoben werden kann.

in ähnlicher Weise wird die die Sicherung der Membran gegen überlastung am,Ende des Ansaughubes erreicht.

Hierfür ist ein weiterer Entnahmeschieber 36 vorgesehen, der in ähnlicher Weise wie vorher durch ein Kurvenstück 37 gesteuert ist und der sich unter der Belastung der Feder 38 kurzzeitig öffnet, um dem Zylinder eine Druckprobe zu entnehmen. Diese Kurvenscheibe ist so angeordnet, dass die Entnahme der Druckprobe zwischen den Punkten 39 und 40 erfolgt.

In ähnlicher Weise wie vorher wird der so entnommene Druck wiederum in einem Speiaher 41 gespeichert. In ähnlicher Weise wie vorher ist auch ein Abschlußschieber 42 vorhanden, der nur beim .Ansaugehub die Verbindung zum Speicher 41 öffnet, beim _: Druckhub, hingegen sie absohliesst und der durch nicht dargestellte Mittel entsprechend gesteuert werden kann· Der im Akkumulator 41 Jierratohende Druck wirkt auf einen Multiplikator, dessen grp,sser_v, KoJLben, 43 und ,kleiner Kolben 44 in. ähnlichem . ._r Verhältnis., steht Jiie der- grpsse Kolben 11 und der. Plunger, £j_:. ,...,.

909806/0182 ^{BAD 0R|}GiNAL

H28001

da jeäoah dem Druck auf den grossen Kolben 43 die Kraft der ' Feder 45 entgegenwirkt, wird der von dem kleinen KoITden 44 erzeugte Druck etwas niedriger sein als der Ansaugedruck 22 der Maschine _:5> .,

Sobald im Punkt 22 die Membran 1 sich auf die untere Begrenzungsflache anlegt, beginnt der Druck des Verdrängungs- . mittels rasch zu sinken» Sobald dieser Druck auf die Höhe 46 gesunken ist, wird der Druck über der federbelasteten Packung niedriger als der darunter herrschende Druck. Die Packung 9 wird SiQh daher von ihrer Unterlage abheben und wird das vom Multiplikator 44 geförderte Treibmiifctel in den Zylinder eintreten lassen. Der Druck im Zylinder kann daher nicht unter den Druck 46 fallen.

Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, hängt die Höhe des Druokunterschiedes von 22 bis 46 von der Stärke der Feder 45 ab. Durch geeignete Bemessung dieser Feder hat man es daher in der Hand, den Druckunterschied 22 bis 46 so gering zu halten, dass die Membran dadurch nicht gefährdet wird.

Der Multiplikator 44 wird während des Druokhubes nicht benötigt. Daher kann die Verbindung zwischen dem Kolben 43 des Multiplikators und dem Speicher 41 während des Druckhubes durch einen Schieber 47 unterbrochen werden, der statt dessen eine Verbindung ins Freie herstellt«, Unter der Wirkung der Feder 45 wird daher der Kolben 43 zurückgehen, und der Multiplikator kann wieder frisch gefüllt werden. Der Schieber 47 kann leicht so gesteuert werden, dass er während des Saughubes die Verbindung zum Akkumulator 41» während des Druokhubes die

909806/018 2

- ii-

Verbindung ine Freie darstellt. Die Mittel, um diese Steuerung herbeizuführen sind bekannt und für die Erfindung unerheblich, weshalb sie in der Fig. l nioht dargestellt sind* Diese Steuerung kann z.B. in einfacher Weise von der Bewegung des Hauptsohiebers begleitet werden, der die Ölverteilung auf beide Seiten des Kolbene 11 regelt·

Anaprüohe t

- 12 -

909806/0182

BAD

Claims

f 1 i Selbsttätige Steuerung für hydraulisch angetrieben© Membrankorapresßorenoder Herabranpumpen für sehr hohen. Druck, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, welche abhängig von der Überschreitung des Betriebsdruckes ±m Kompressorzylinder um ein bestimmtes, unschädliches Maß den Brtaekhub beenden,

2, Steuerung nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet_ä daß Mittel vorgesehen sind» welche abhängig von der Überschreitung des Betriebsdruckes* im Treibzylinder um ein bestimmtes, unschädliches Maß den. Druckhub beenden.

3» Steuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um den jeweiligen Treibdruck in einem bestimmten Punkt aufzunehmen und zum Vergleich mit dem Höchstdruck zu speichern·

h» Steuerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Anlegen der Membran am Ende des Sfcughubea öl unter

einem

Druck nachgefüllt wird, der den Saugdruck des Kompressor» um ein gewisses Maß unterschreitet·

5* Steuerung nach den Ansprüchen 1 bis k, dadurch gekenneelehnet, daß Mittel vorgesehen sind, uk den Druck Iu Treibzylinder in einem bestimmten Punkt während des Saughube β su entnehmen und zu speichern·

6. Steuerung nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekenn»«lehnet, daß der Druck la Speicher durch «inen Multiplikator

909806/0ia2

- 13 -

mit gleichem üolbenverhältnis wie das Kolbenverhältnis des Kompressors selbst erhöht wird_o

7· Selbsttätige Steuerung naoh den Ansprüchen 1 bis 6, daduroh gekennzeichnet, dass der Entnähmeρunkt während des Druokhubes verstellbar ist»

Per Patentanwalt

909806/0182