WO2001027475A1 - Multi-stage diaphragm-type compressor - Google Patents

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WO2001027475A1
WO2001027475A1 PCT/DE2000/003631 DE0003631W WO0127475A1 WO 2001027475 A1 WO2001027475 A1 WO 2001027475A1 DE 0003631 W DE0003631 W DE 0003631W WO 0127475 A1 WO0127475 A1 WO 0127475A1
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piston
cylinder
membrane
compressor according
gas
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PCT/DE2000/003631
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Christie St Clair Cunningham
Original Assignee
Winter, Hermann-Josef
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B27/00Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B27/005Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders with two cylinders
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B27/02Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders arranged oppositely relative to main shaft
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    • F04B27/04Multi-cylinder pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by number or arrangement of cylinders having cylinders in star- or fan-arrangement
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    • F04B45/00Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids
    • F04B45/04Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B45/053Pumps having fluid drive
    • F04B45/0533Pumps having fluid drive the fluid being actuated directly by a piston

Definitions

  • the invention relates to a multi-stage membrane compressor and a method for multi-stage compression of gases with such a membrane compressor.
  • membrane compressors for compressing fluids have advantages over conventional piston compressors, in particular with regard to sealing, occurring leakage losses and resulting contamination problems which are typical for piston compressors.
  • the main disadvantage of the known diaphragm compressors is the wear of the diaphragms, as a result of the constant bending of the elastic diaphragm material (previously steel sheets) due to the acting forces, which act either directly mechanically or hydraulically on the diaphragm. If the membrane for sucking and compressing a fluid is moved indirectly with a hydraulic fluid, problems with reduced delivery capacity, lower compression pressure or damage to the membrane occur in particular as a result of incomplete filling with hydraulic fluid or overfilling.
  • the multi-stage diaphragm compressor according to the invention uses a certain number of compressor stages, which are pneumatically connected to one another in series, depending on the compression end pressure required. At least two such compressor stages, each consisting of a piston-cylinder unit, a membrane and a chamber, are used.
  • the piston-cylinder units are arranged at the same angular distances from one another, radially around the axis of rotation of a cam or eccentric shaft with which the respective pistons are moved back and forth in a translatory manner.
  • supply lines for filling the cylinders with a liquid are connected to the cylinders. The liquid is fed into the cylinders via the feed lines from a sump containing the liquid.
  • the cylinders in which the liquid is taken up and the chambers into which the gas to be compressed or to be compressed to a higher degree leaves the chamber via a gas inlet and after execution of the compression stroke via a gas outlet are separated in a fluid-tight manner by means of a membrane.
  • Check valves are provided in the supply lines for the liquid and also in the gas inlets and gas outlets. arranges so that fluid leakage losses can only occur between the piston and the cylinder wall and are accordingly low.
  • the two piston-cylinder units with the associated chambers are to be arranged diametrically opposite one another, as is also the case with boxer engines.
  • piston-cylinder units with the associated chambers can be in one plane (eg with cylinder longitudinal axes arranged parallel to the horizontal or vertical) Row can be arranged.
  • the individual compressor stages with their piston-cylinder units can also be arranged at angular intervals of 90 °, so that, for example, two piston-cylinder units are diametrically opposed in the horizontal direction and the other two piston-cylinder units are also diametrically opposed in the vertical direction Direction aligned, are arranged.
  • the liquid that is to be present in the cylinder for the corresponding movement of the respective membrane can be from an existing at the bottom of a housing Sump or an additional tank is sucked in through the supply lines to the individual cylinders when the respective piston moves in the direction of bottom dead center (bottom reversal point) and any leakage losses that occur can be compensated accordingly.
  • a check valve arranged in the respective feed line prevents the liquid from flowing back.
  • Suitable hydraulic oils which additionally ensure the lubrication of pistons, cylinders and the drive elements and which do not attack the elastomeric membrane material, are preferably used.
  • the cylinder bore and the distance covered by the piston between the two dead centers should be designed so that the corresponding stroke volume of two subsequent compressor stages should be assigned in almost the same ratio as the achievable pressure conditions at the end of the compression cycles of the two compressor stages.
  • roller bearings to an eccentric shaft, each of these roller bearings engaging a piston of a compression stage and controlling its translational back and forth movement.
  • membranes which have a central stiffened area in their center, for example a metal plate connected to the elastomeric part of the membrane.
  • the area of the membrane around the central stiffened area remains elastic and the peripheral outer edge of the membrane should be shaped so that it can be held in the housing of the membrane compressor in a positive and / or non-positive manner.
  • Dead center occurs, it is advantageous to ensure a sufficient liquid volume in the cylinder to form a shoulder on the upper edge of the respective cylinder, which is oriented orthogonally to the direction of movement of the piston and on which the central stiffened area of the membrane rests before reaching the bottom dead center position. Then liquid can be sucked into the cylinder until the bottom dead center is reached through the feed line, the opening of which is arranged in the cylinder below the upper edge of the cylinder.
  • a shoulder can, however, also be designed in the form of a cone, in which case the central stiffened region of the membrane should also be designed to be complementary and conical.
  • a corresponding feed pump can be arranged in the liquid sump, and a diaphragm or piston pump that is used for this purpose can also be driven via the cam or eccentric shaft, the filling with a certain, respectively identical, liquid volume each time the piston moves towards bottom dead center.
  • the flexible edge area of the membrane can rest on these beveled edges in the bottom dead center position and in the top dead center position (TDC).
  • TDC top dead center position
  • a safety valve can be connected to the cylinder, the opening pressure of which is greater than the maximum working pressure of the liquid to be expected or occurring in the cylinder. It can also be advantageous to also preload the membranes, for example with compression springs arranged and fixed in the cylinders. These springs should preferably engage the central stiffened area of the membranes.
  • pistons which are moved back and forth translationally in deviation from the horizontal plane, as reciprocating pistons open in the direction of the respective membrane, so that they are cup-shaped and the liquid is contained in the cavity formed.
  • the mass of the pistons can be reduced in this way.
  • a vent hole with a small diameter should be formed in the upward-facing end face, i.e. the end face which presses against the cam, eccentric shaft or a roller bearing attached thereon , through which liquid leakage leaks only slightly, but air in the cylinder can escape.
  • gas can be compressed in several compression stages with a membrane compressor according to the invention, in which, for example, an eccentric or camshaft is driven with an electric motor, possibly via a gear.
  • a membrane compressor in which, for example, an eccentric or camshaft is driven with an electric motor, possibly via a gear.
  • the pistons of the correspondingly used compressor stages are moved back and forth between the top and bottom dead centers.
  • Corresponding pressure differences can be found in the respective cylinder in which liquid is contained and that which is separated from the cylinder by means of a membrane Chamber be sucked in or compressed according to the direction of movement of the piston gas.
  • the piston moves towards bottom dead center, i.e.
  • the volume of the chamber is increased and the gas through the gas inlet and a therein or thereon existing check valve is sucked into the chamber.
  • the liquid acts against the membrane by reducing the volume in the cylinder and this is bent in the same direction in which the piston moves, so that the chamber volume is reduced and consequently the gas contained therein is compressed and via the gas outlet , in which a check valve is also arranged, is displaced. From there, it can be pressed through a correspondingly further gas inlet into a chamber of a subsequent compression stage, in which further compression of the gas is achieved, or from the last compressor stage into a gas store.
  • check valves should also be arranged in the feed lines here, which prevent the sucked-in liquid from flowing back.
  • Pressure sensors should advantageously be present on the gas connection lines, via which the individual compressor stages and a gas storage device can be connected, with which pressure sensors can be used to indicate an error or to switch off the drive for the diaphragm compressor after the maximum or minimum pressure values which can be specified have been exceeded or fallen below are.
  • the volume of the chamber of the compressor stages can be at least 2.5%, preferably about 10% larger than the stroke volume of the respective because piston-cylinder unit, which also ensures that the compression stroke can be carried out easily.
  • an elastic element for example a rubber buffer, can be attached to the inside wall of the chamber on which the gas outlet is arranged protrudes into the chamber, against which the membrane is pressed at the end of the compression stroke.
  • Compressed gas can advantageously be cooled, with cooling subsequently being able to take place at at least one compressor stage.
  • a gas guide line between or following at least one compressor stage, through which the correspondingly compressed gas is led can be air-cooled or water-cooled with the aid of additional heat exchangers.
  • a sensor or detector can be provided in a line for compressed gas, with which it can be recognized whether oil is carried in the compressed gas.
  • a sensor can, for example, be a light source with a correspondingly arranged optical detector, with which the light intensity of the light emitted by the light source can be measured. If there is liquid, eg oil, in the compressed gas, the measured value for the light intensity drops and a membrane defect can be diagnosed.
  • Such a sensor is advantageously arranged downstream of the gas outlet of the last compressor stage. net.
  • the membrane compressor according to the invention is distinguished from conventional compressors by the safe separation of gas and liquid or other contaminating constituents. In particular, because of the favorable lubrication conditions on all moving parts, it requires lower manufacturing tolerances.
  • the compressed gas is oil-free
  • the structure and the functional principle used ensure safe and adequate lubrication, in particular also for the pistons moving back and forth, with the increased liquid pressure.
  • the commonly used piston rings can be dispensed with.
  • the desired volume flows can be achieved simply by varying the drive speed.
  • a transmission can also be interposed to influence the drive speed, which in the simplest and cheapest case can be a belt transmission.
  • Figure 1 is a sectional view of an example of a membrane compressor according to the invention.
  • Figure 2 is a view rotated by 90 °, in a
  • Figure 2a shows the example shown in Figure la in a view rotated by 90 ° in a sectional view
  • Figure 3 shows a feed pump for liquid in three different operating positions
  • FIG. 4 shows schematic representations of membranes separating cylinders and chambers in different operating states
  • Figure 5 shows an example of a gas inlet valve
  • FIG. 6 shows an example of a gas outlet valve
  • Figure 7 Examples of edge designs of the membrane for the non-positive and positive fixing of the membrane in a housing
  • FIG. 8 shows an example of a pressure-controlled safety valve.
  • 1, 1a, 2 and 2a schematically show examples of a diaphragm compressor 100 according to the invention, each with four compression stages 1 to 4, in different views.
  • a compression ratio in the individual compression stages of 1: 4 in each case, a final pressure of approximately 256 bar can be achieved, with an outlet pressure which is present at a gas inlet 9 at compression stage 1 of only a few kPa above atmospheric pressure.
  • the piston-cylinder units with membrane 5 and the chambers 8 forming the compression stages are arranged at an angular distance of 90 ° in each case about the axis of rotation of the eccentric shaft 18 used here.
  • connection lines for the gas, via which the compressed gas is led from compression stage to compression stage have been omitted.
  • FIGS. 1 and 1 a only the compression stages 1 and 2 can be seen, which are arranged diametrically opposite one another. Accordingly, it can be ensured that at times at which the piston 13 of the compression stage 1 arranged vertically above is at the bottom dead center, that is to say the intake stroke has been carried out, the piston 13 of the compression stage 2 is at its top Dead center is located, so the compression stroke has been carried out. Analogously, this also applies to the compression stages 3 and 4 which can be seen in FIGS. 2 and 2a.
  • the eccentric shaft 18 is mounted with roller bearings in the housing 6 of the diaphragm compressor 100, and roller bearings 17 are applied to the eccentrically formed part of the eccentric shaft 18, with each of the roller bearings 17 having a piston 13 of a compression stage 1 to 4 in contact with an end face and at Rotation of the eccentric shaft 18 can be moved back and forth in translation.
  • Compensation masses 32 are formed on or attached to the eccentric shaft 18 on both sides of the eccentrically designed part in order to avoid unbalance when the eccentric shaft 18 rotates.
  • each chamber 8 of a compression stage 1 to 4 there is a gas inlet 9 and a gas outlet 10, in which check valves 33 and 34 are arranged in accordance with the desired flow direction of the gas.
  • a sump 14 which is suitable for the operation of the diaphragm compressor required liquid, for example a hydraulic oil, with a certain oil level 15, from which the liquid can reach the cylinders 7, the individual compression stages 1 to 4 via the feeds 24, 25, 26 and 27.
  • a check valve 28 is arranged, with which the backflow of the liquid from the cylinder 7 into the sump 14 can be prevented.
  • the liquid is conveyed from the sump 14 into the cylinders 7 into the compression stages 2, 3 and 4, exclusively by suction during the intake cycles, i.e. when the respective piston 13 moves in the direction of the respective bottom dead center.
  • the liquid or hydraulic oil is conveyed with the aid of the piston pump 16 arranged at the bottom of the housing 6, in the region of the sump 14, which is also driven by the eccentric shaft 18 via a roller bearing 17 ,
  • the piston pump 16 is arranged such that the liquid is conveyed into the cylinder 7 of the compression stage 1 when the piston 21 moves, as shown in the right illustration of FIG. 3, when the piston 13 moves towards its bottom dead center emotional.
  • a piston pump 16 of this type a defined volume of liquid can be pumped into the cylinder 7 of the compression stage 1 in each cycle, in particular to compensate for the leakage losses occurring between the piston and cylinder walls and to ensure that the cylinder 7 is always is sufficiently filled with liquid.
  • the compression stroke is carried out for the respective compression stage 1 to 4 by moving the piston 13 in the direction toward its top dead center, the liquid present in the cylinder 7 against the membrane 5 separating the cylinder 7 and the chamber 8 acts and the membrane 5 moves towards the other chamber wall, so that the chamber volume is reduced, the gas contained therein is compressed and displaced via the gas outlet 10 either into the subsequent compression stage or into a gas storage unit connected to the compression stage 4.
  • membranes 5 made of elastomer which have a central stiffened area 101, for example a metal plate.
  • the adjoining outer edge region 5a is as shown in particular in FIG.
  • Figure 4 becomes recognizable, flexible and elastic.
  • a shoulder 11 is formed on the upper edge of the cylinders 7, against which the central stiffened area 101 of the diaphragm 5 bears when the intake stroke is executed, that is to say the movement of the respective piston 13 toward its bottom dead center, preferably before it is reached.
  • a negative pressure can be generated in the cylinder 7 closed in this way when the piston 13 moves further to the bottom dead center, and liquid can be sucked into the cylinder 7.
  • the region of the cylinder edge adjoining the shoulder 11 is bevelled, so that the flexible edge region 5a of the membrane 5 can gently rest against it when the intake stroke is carried out and the liquid still located there is reliably displaced.
  • the edge of the chamber 8 is also bevelled accordingly.
  • an elastic element here a rubber buffer 31, is arranged on the upper chamber wall, which protrudes at least to the extent into the interior of the chamber 8 that when the compression cycle is carried out, the gas outlet 10 does not precede the complete displacement of the compressed gas from the Chamber is closed by the membrane 5.
  • a safety valve 30 With such a safety valve 30, excess pressures in the cylinder 7 can be avoided and excess liquid volume can be discharged if the opening pressure of the respective safety valve 30 is slightly (eg 0.5 bar) above the maximum permissible pressure in the cylinder 7 and accordingly also the maximum pressure in the chamber 8 when the compression stroke is carried out.
  • Such safety valves 30 can of course also be present on all four compression stages 1 to 4.
  • the pistons 13 of compression stages 1 and 2 are cup-shaped and hollow.
  • the compression stage 2 is in its upper end face here, which points in the direction of the eccentric shaft 18, a vent hole 13.1 with a diameter of approximately 0.3 mm is formed, with which the escape of air which has entered can be achieved after the membrane compressor 100 has been out of service, but which is due to the small vent hole 13.1 allows only a small loss of fluid leakage.
  • the example of a diaphragm compressor 100 shown in FIGS. 1 a and 2 a differs from the example shown in FIGS. 1 and 2 essentially by the arrangement of the feed 25 for liquid in the cylinder 7 of the compression stage 2 and the additional representation of the gas inlet and outlet 9 and 10 with check valves 33 and 34 at compression stage 1.
  • the feed pump 16 is shown in a staggered arrangement in order to emphasize the functional principle.
  • the piston pump 16 is aligned with the piston 13 of the compression stage 2 below the axis of rotation of the eccentric shaft 18.
  • FIG. 1 The structure of such a piston pump 16 is shown schematically in FIG. 1 at the bottom right and FIG. provides.
  • the piston 21 is guided in the cylinder 20 and is biased with the compression spring 22 against a roller bearing 17, so that the piston can move up and down when the eccentric shaft rotates, as can be seen in the various representations of FIG. 3.
  • the piston 21 In the position shown on the left in FIG. 3, the piston 21 is in its uppermost position and the feed opening 19 is exposed.
  • the piston 21 is moved downward, the feed opening 19 is closed and the liquid contained in the cylinder 20 through the check valve 23 arranged at the lower part of the cylinder 20 into the feed 24 and from there via the further check valve 28 into the cylinder 7 promoted compression level 1.
  • the feed opening 19 is arranged below the oil level 15.
  • FIGS. 1, 1 a, 2 and 2 a can also be modified such that a four-stage diaphragm compressor 100 is not formed, as shown here, but only a two-stage diaphragm compressor 100.
  • compression stages 1 and 2 or compression stages 3 and 4 can be omitted.
  • the membranes 5 are made of a suitable flexible material, such as one that is available under the trade name "Viton", and the otherwise flexible membrane 5 is stiffened in its central region 101 with the metal disc already mentioned or in some other form, so that the Membrane 5 is sufficiently stable in this critical area and can withstand the correspondingly acting high forces, in particular at high pressures.
  • the central stiffened loading secures rich 101 that no further deflection of the membrane can occur when applied to the shoulder 11.
  • a force is exerted on the membranes 5 by the springs 12, so that when the suction stroke is carried out, the flexible edge area 5a rolls in the direction of the shoulder 11 and that the liquid located between the flexible edge area 5a and the beveled cylinder wall is completely distorted. is pressed before the central stiffened area 101 sits on the shoulder 11 and thus oil losses can be avoided.
  • FIG. 4 shows various positions of the membrane 5, which correspond to different operating states of a compressor stage.
  • 4a to 4d show a membrane 5 alone, as can be used, for example, in the compressor stage 1, and
  • FIGS. 4e to 4h show a membrane 5 with an additional spring 12.
  • the membrane 5 is located shortly before or at the end of the compression stroke, in which the respective piston 13 is shortly before or at its top dead center.
  • the chamber 8 is completely filled by sucking in gas, and when the piston 13 moves further towards the bottom dead center, the pressure in the cylinder 7 decreases, so that liquid in through the respective feed 24, 25, 26 and 27 the cylinder 7 can be sucked in.
  • FIG. 5 shows an example of an inlet valve 33 for gas in an exploded and a sectional view.
  • Figure 6 accordingly shows an outlet valve for gas in an exploded and sectional view.
  • FIG. 5 Examples of the formation of the radially outer edge of the membrane 5, which can be held in the housing 6 in a non-positive and / or positive manner, are shown in FIG.
  • the example shown on the right is particularly preferable.
  • FIG. 8 shows an example of a pressure-controlled safety valve 30, in which both the pressure in the chamber 8 and in the cylinder 7 of the respective compression stage can be used for control purposes.

Abstract

The invention relates to a multi-stage diaphragm-type compressor (100) and to a method for the multi-stage compression of gases. At least two piston-cylinder units arranged at equal angular intervals from each other around the axis of rotation of a camshaft or eccentric shaft (18). The cylinders (7) are connected to a sump (14) containing a liquid, so that they can be filled with a liquid via supply lines (24, 25, 26, 27) in which return valves (28) are provided. The cylinders (7) are also separated from chambers (8) by a membrane (5) to which a gas inlet and a gas outlet (10) with a return valve, respectively are joined. The individual compressor stages are each formed by a piston-cylinder unit with a membrane (5) and a chamber.

Description

Mehrstufiger Membranverdichter Multi-stage membrane compressor
Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Membranverdichter sowie ein Verfahren zur mehrstufigen Verdichtung von Gasen mit einem solchen Membranverdichter.The invention relates to a multi-stage membrane compressor and a method for multi-stage compression of gases with such a membrane compressor.
Bekanntermaßen haben Membranverdichter zur Komprimierung von Fluiden gegenüber herkömmlichen Kolbenverdichtern Vorteile, insbesondere bezüglich der Abdichtung, auftretenden Leckverlusten und daraus resultierenden Kontaminationsproblemen, die für Kolbenver- dichter typisch sind.As is known, membrane compressors for compressing fluids have advantages over conventional piston compressors, in particular with regard to sealing, occurring leakage losses and resulting contamination problems which are typical for piston compressors.
Der Hauptnachteil der bekannten Membranverdichter besteht im Verschleiß der Membranen, infolge der ständigen Verbiegung des elastischen Membranmaterials (bisher Stahlbleche) durch die wirkenden Kräfte, die entweder direkt mechanisch bzw. auch hydraulisch auf die Membran wirken. Wird die Membran zum Ansaugen und Verdichten eines Fluides indirekt mit einer Hydraulikflüssigkeit bewegt, treten insbesondere durch eine unvollständige Befüllung mit Hydraulikflüssigkeit oder eine Überfüllung Probleme bezüglich verringerter Förderleistung, geringerem Verdichtungsdruck oder Beschädigung der Membran auf .The main disadvantage of the known diaphragm compressors is the wear of the diaphragms, as a result of the constant bending of the elastic diaphragm material (previously steel sheets) due to the acting forces, which act either directly mechanically or hydraulically on the diaphragm. If the membrane for sucking and compressing a fluid is moved indirectly with a hydraulic fluid, problems with reduced delivery capacity, lower compression pressure or damage to the membrane occur in particular as a result of incomplete filling with hydraulic fluid or overfilling.
Für viele Einsatzfälle und hier insbesondere für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen mit gasförmigen Kraftstoffen, wie Erdgas, ist es erforderlich, ein solches Gas, sowohl für die Speicherung, wie auch für die Betankung relativ hoch zu komprimieren, wobei Enddrücke im Bereich von 250 bar gewünscht werden.For many applications and here in particular for the operation of internal combustion engines with gaseous fuels, such as natural gas, it is necessary to compress such a gas relatively high, both for storage and for refueling, final pressures in the range of 250 bar being desired ,
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen mehrstufigen Membranverdichter für Gase zur Verfügung zu stel- len, mit dem hohe Kompressionsdrücke, mit hoher Effektivität und ein zuverlässiger Betrieb erreicht werden können .It is therefore an object of the invention to provide a multi-stage membrane compressor for gases. len with which high compression pressures can be achieved with high effectiveness and reliable operation.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem mehrstufigen Membranverdichter gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.According to the invention this object is achieved with a multi-stage membrane compressor according to claim 1. Advantageous embodiments and developments of the invention can be achieved with the features mentioned in the subordinate claims.
Der erfindungsgemäße mehrstufige Membranverdichter verwendet je nach gefordertem Kompressionsenddruck eine bestimmte Anzahl von Verdichterstufen, die pneumatisch miteinander in Reihe verschaltet sind. Dabei werden mindestens zwei solcher Verdichterstufen, die jeweils aus einer Kolben-Zylindereinheit , einer Membran und einer Kammer gebildet sind, verwendet. Die Kolben-Zylindereinheiten sind in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander, radial um die Drehachse einer Nocken- oder Exzenterwelle, mit der die jeweiligen Kolben translatorisch hin- und herbewegt werden, angeordnet. Außerdem sind an die Zylinder Zuleitungen zur Befüllung der Zylinder mit einer Flüssigkeit angeschlossen. Die Flüssigkeit wird über die Zuleitungen aus einem die Flüssigkeit enthaltenden Sumpf in die Zylinder geführt.The multi-stage diaphragm compressor according to the invention uses a certain number of compressor stages, which are pneumatically connected to one another in series, depending on the compression end pressure required. At least two such compressor stages, each consisting of a piston-cylinder unit, a membrane and a chamber, are used. The piston-cylinder units are arranged at the same angular distances from one another, radially around the axis of rotation of a cam or eccentric shaft with which the respective pistons are moved back and forth in a translatory manner. In addition, supply lines for filling the cylinders with a liquid are connected to the cylinders. The liquid is fed into the cylinders via the feed lines from a sump containing the liquid.
Die Zylinder, in denen die Flüssigkeit aufgenommen ist und die Kammern, in die das zu komprimierende bzw. höher zu komprimierende Gas über einen Gasein- lass und nach Ausführung des Verdichtungstaktes über einen Gasauslass die Kammer wieder verlässt, sind mittels einer Membran fluiddicht getrennt. Dabei sind in den Zuleitungen für die Flüssigkeit und auch in den Gasein- und Gasauslässen Rückschlagventile ange- ordnet, so dass Flüssigkeitsleckverluste ausschließlich zwischen Kolben und Zylinderwandung auftreten können und entsprechend gering sind.The cylinders in which the liquid is taken up and the chambers into which the gas to be compressed or to be compressed to a higher degree leaves the chamber via a gas inlet and after execution of the compression stroke via a gas outlet are separated in a fluid-tight manner by means of a membrane. Check valves are provided in the supply lines for the liquid and also in the gas inlets and gas outlets. arranges so that fluid leakage losses can only occur between the piston and the cylinder wall and are accordingly low.
Bei einem erfindungsgemäßen zweistufigen Membranverdichter sollen die zwei Kolben-Zylindereinheiten mit den zugehörigen Kammern sich diametral gegenüberliegend, wie dies auch bei Boxermotoren der Fall ist, angeordnet sein.In a two-stage diaphragm compressor according to the invention, the two piston-cylinder units with the associated chambers are to be arranged diametrically opposite one another, as is also the case with boxer engines.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, mindestens drei Kolben-Zylindereinheiten mit zugehörigen Kammern in einem Winkelabstand von jeweils 120° oder entsprechend weniger zueinander anzuordnen.However, there is also the possibility of arranging at least three piston-cylinder units with associated chambers at an angular distance of 120 ° or less from one another.
Werden mehr als zwei Verdichterstufen gefordert, um einen entsprechend hohen Kompressionsenddruck zu erreichen, können auch mehrere Kolben-Zylindereinheiten mit den zugehörigen Kammern, die jeweils eine Ver- dichterstufe bilden, in einer Ebene (z.B. mit parallel zur Horizontalen bzw. Vertikalen angeordneten Zylinderlängsachsen) in Reihe angeordnet werden. Beispielsweise bei einem vierstufigen Membranverdichter können aber auch die einzelnen Verdichterstufen mit ihren Kolben-Zylindereinheiten in Winkelabständen von 90° angeordnet werden, so dass beispielsweise zwei Kolben-Zylindereinheiten sich diametral gegenüberliegend in horizontaler Richtung und die beiden anderen Kolben-Zylindereinheiten sich ebenfalls diametral gegenüberliegend in vertikaler Richtung ausgerichtet, angeordnet sind.If more than two compressor stages are required in order to achieve a correspondingly high compression end pressure, several piston-cylinder units with the associated chambers, each of which forms a compressor stage, can be in one plane (eg with cylinder longitudinal axes arranged parallel to the horizontal or vertical) Row can be arranged. For example, in the case of a four-stage diaphragm compressor, the individual compressor stages with their piston-cylinder units can also be arranged at angular intervals of 90 °, so that, for example, two piston-cylinder units are diametrically opposed in the horizontal direction and the other two piston-cylinder units are also diametrically opposed in the vertical direction Direction aligned, are arranged.
Die Flüssigkeit, die im Zylinder zur entsprechenden Bewegung der jeweiligen Membran vorhanden sein soll, kann aus einem am Boden eines Gehäuses vorhandenen Sumpf oder einem zusätzlichen Tank durch die Zuleitungen zu den einzelnen Zylindern bei der Bewegung des jeweiligen Kolbens in Richtung auf den unteren Totpunkt (unterer Umkehrpunkt) angesaugt und gegebe- nenfalls aufgetretene Leckverluste können entsprechend ausgeglichen werden. Bei der entgegengesetzten Bewegung des Kolbens, also in Richtung auf den oberen Totpunkt (oberer Umkehrpunkt) , verhindert ein in der jeweiligen Zuleitung angeordnetes Rückschlagventil ein Rückströmen der Flüssigkeit. Bevorzugt werden geeignete Hydrauliköle, die zusätzlich auch die Schmierung von Kolben, Zylindern und den Antriebselementen sichern und die das elastomere Membran-Material nicht angreifen, eingesetzt.The liquid that is to be present in the cylinder for the corresponding movement of the respective membrane can be from an existing at the bottom of a housing Sump or an additional tank is sucked in through the supply lines to the individual cylinders when the respective piston moves in the direction of bottom dead center (bottom reversal point) and any leakage losses that occur can be compensated accordingly. When the piston moves in the opposite direction, i.e. in the direction of top dead center (top reversal point), a check valve arranged in the respective feed line prevents the liquid from flowing back. Suitable hydraulic oils, which additionally ensure the lubrication of pistons, cylinders and the drive elements and which do not attack the elastomeric membrane material, are preferably used.
Dabei sollten die Zylinderbohrung und der vom Kolben zwischen den beiden Totpunkten zurückgelegte Weg so ausgelegt sein, dass das entsprechende Hubvolumen zweier nachfolgender Verdichterstufen im nahezu glei- chen Verhältnis, wie die erreichbaren Druckverhältnisse am Ende der Verdichtungstakte der beiden Verdichterstufen zugeordnet sein soll.The cylinder bore and the distance covered by the piston between the two dead centers should be designed so that the corresponding stroke volume of two subsequent compressor stages should be assigned in almost the same ratio as the achievable pressure conditions at the end of the compression cycles of the two compressor stages.
Zur Verringerung von Verschleiß, Reibung und Reibver- lusten ist es günstig, auf einer Exzenterwelle Wälzlager zu befestigen, wobei jedes dieser Wälzlager an einem Kolben einer Verdichtungsstufe angreift und dessen translatorische Hin- und Herbewegung steuert .To reduce wear, friction and friction losses, it is expedient to attach roller bearings to an eccentric shaft, each of these roller bearings engaging a piston of a compression stage and controlling its translational back and forth movement.
Insbesondere für die Bewegung der Kolben in Richtung auf den unteren Totpunkt (bottom dead center - BDC) ist es vorteilhaft, den jeweiligen Kolben in dieser Richtung wirkend, mit einer Druckkraft zu beaufschlagen, was im einfachsten Fall mit einer entsprechend im Zylinder angeordneten und fixierten Druckfeder erreicht werden kann.In particular for the movement of the pistons in the direction of bottom dead center (BDC), it is advantageous to apply a compressive force to the respective piston, acting in this direction, which in the simplest case involves a compression spring arranged and fixed in the cylinder can be achieved.
Günstig ist es außerdem, Membranen zu verwenden, die in ihrem Zentrum einen zentralen versteiften Bereich, beispielsweise eine mit dem elastomeren Teil der Membran verbundene Metallplatte, aufweisen. Der Bereich der Membran um den zentralen versteiften Bereich bleibt weiterhin elastisch, und der periphere äußere Rand der Membran sollte so geformt sein, dass er im Gehäuse des Membranverdichters form- und/oder kraft - schlüssig gehalten werden kann.It is also advantageous to use membranes which have a central stiffened area in their center, for example a metal plate connected to the elastomeric part of the membrane. The area of the membrane around the central stiffened area remains elastic and the peripheral outer edge of the membrane should be shaped so that it can be held in the housing of the membrane compressor in a positive and / or non-positive manner.
Insbesondere, wenn das Befüllen bzw. Nachfüllen der Zylinder mit Flüssigkeit allein durch Ansaugen infol- ge der Kolbenbewegung in Richtung auf den unterenIn particular, if the filling or refilling of the cylinders with liquid solely by suction due to the piston movement in the direction of the lower one
Totpunkt erfolgt, ist es zur Sicherung eines ausreichenden Flüssigkeitsvolumens im Zylinder vorteilhaft, am oberen Rand des jeweiligen Zylinders eine Schulter auszubilden, die orthogonal zur Bewegungsrichtung des Kolbens ausgerichtet ist und auf der sich der zentrale versteifte Bereich der Membran vor Erreichen der unteren Totpunktstellung anlegt. Danach kann bis zum Erreichen des unteren Totpunktes durch die Zuleitung, deren Öffnung in den Zylinder unterhalb des oberen Randes des Zylinders angeordnet ist, Flüssigkeit in den Zylinder angesaugt werden. Eine solche Schulter kann aber auch in Form eines Konus ausgebildet sein, wobei in diesem Fall der zentrale versteifte Bereich der Membran ebenfalls entsprechend komplementär ko- nisch ausgebildet werden sollte.Dead center occurs, it is advantageous to ensure a sufficient liquid volume in the cylinder to form a shoulder on the upper edge of the respective cylinder, which is oriented orthogonally to the direction of movement of the piston and on which the central stiffened area of the membrane rests before reaching the bottom dead center position. Then liquid can be sucked into the cylinder until the bottom dead center is reached through the feed line, the opening of which is arranged in the cylinder below the upper edge of the cylinder. Such a shoulder can, however, also be designed in the form of a cone, in which case the central stiffened region of the membrane should also be designed to be complementary and conical.
Für bestimmte Anordnungen für Kolben-Zylindereinheiten und hier solchen, die oberhalb der Drehachse der Nocken- bzw. Exzenterwelle angeordnet sind, kann es vorteilhaft sein, die Befüllung des Zylinders mit Flüssigkeit mit Hilfe einer zusätzlichen Förderpumpe allein oder zusätzlich und möglichst in dosierter Form durchzuführen.For certain arrangements for piston-cylinder units and here those arranged above the axis of rotation of the cam or eccentric shaft, it may be advantageous to fill the cylinder with Use an additional feed pump to carry out the liquid alone or additionally and if possible in a metered form.
In diesem Fall kann eine entsprechende Förderpumpe im Flüssigkeitssumpf angeordnet sein, und eine Membranoder Kolbenpumpe, die hierfür eingesetzt wird, kann ebenfalls über die Nocken- oder Exzenterwelle angetrieben werden, wobei die Befüllung mit einem be- stimmten jeweils gleichen Flüssigkeitsvolumen jeweils bei der Bewegung des Kolbens in Richtung auf den unteren Totpunkt erfolgt .In this case, a corresponding feed pump can be arranged in the liquid sump, and a diaphragm or piston pump that is used for this purpose can also be driven via the cam or eccentric shaft, the filling with a certain, respectively identical, liquid volume each time the piston moves towards bottom dead center.
Zur Schonung des peripheren, elastischen Bereichs der Membran und zur Verdrängung von Flüssigkeit ist es günstig, den sich an die Schulter bzw. einen Rand ohne Schulter anschließenden Teil des Zylinders abzuschrägen, was sinngemäß auf den entsprechenden Randbereich der Kammer für das zu komprimierende Gas zu- trifft. An diesen abgeschrägten Rändern kann sich der flexible Randbereich der Membran in der unteren Tot- punktstellung und in der oberen Totpunktstellung (top dead center - TDC) anlegen. Bei der Bewegung des entsprechenden Kolbens in Richtung auf den unteren Tot- punkt legt sich der flexible Randbereich der Membran zuerst an die Schräge an und kann sukzessive die dort noch vorhandene Flüssigkeit in den Zylinder zurück verdrängen .In order to protect the peripheral, elastic region of the membrane and to displace liquid, it is advantageous to chamfer the part of the cylinder which adjoins the shoulder or an edge without a shoulder, which correspondingly applies to the corresponding edge region of the chamber for the gas to be compressed. meets. The flexible edge area of the membrane can rest on these beveled edges in the bottom dead center position and in the top dead center position (TDC). When the corresponding piston moves towards bottom dead center, the flexible edge area of the diaphragm first lies against the bevel and can gradually displace the liquid that is still there back into the cylinder.
Aus Sicherheitsgründen kann an den Zylinder ein Sicherheitsventil angeschlossen werden, dessen Öffnungsdruck größer als der maximal zu erwartende bzw. im Zylinder auftretende Arbeitsdruck der Flüssigkeit ist. Vorteilhaft kann es außerdem sein, auch die Membranen, z.B. mit in den Zylindern angeordneten und fixierten Druckfedern, vorzuspannen. Diese Federn sollten vorzugsweise an den zentralen versteiften Bereich der Membranen angreifen.For safety reasons, a safety valve can be connected to the cylinder, the opening pressure of which is greater than the maximum working pressure of the liquid to be expected or occurring in the cylinder. It can also be advantageous to also preload the membranes, for example with compression springs arranged and fixed in the cylinders. These springs should preferably engage the central stiffened area of the membranes.
Vorteilhaft kann es außerdem sein, solche Kolben, die abweichend von der horizontalen Ebene translatorisch hin- und herbewegt werden, als in Richtung auf die jeweilige Membran offene Hubkolben auszubilden, so dass sie tassenförmig ausgebildet sind und im gebildeten Hohlraum die Flüssigkeit enthalten ist. So kann die Masse der Kolben reduziert werden.It may also be advantageous to design such pistons, which are moved back and forth translationally in deviation from the horizontal plane, as reciprocating pistons open in the direction of the respective membrane, so that they are cup-shaped and the liquid is contained in the cavity formed. The mass of the pistons can be reduced in this way.
Bei Kolben, die im Wesentlichen unterhalb der Drehachse der Exzenter- oder Nockenwelle angeordnet sind, sollte in der nach oben weisenden Stirnfläche, also der Stirnfläche, die gegen die Nocken-, Exzenterwelle oder ein darauf befestigtes Wälzlager drückt, eine Entlüftungsbohrung mit kleinem Durchmesser ausgebildet sein, durch die nur geringfügig Flüssigkeitsleckverluste austreten, im Zylinder vorhandene Luft aber entweichen kann.In the case of pistons which are arranged essentially below the axis of rotation of the eccentric or camshaft, a vent hole with a small diameter should be formed in the upward-facing end face, i.e. the end face which presses against the cam, eccentric shaft or a roller bearing attached thereon , through which liquid leakage leaks only slightly, but air in the cylinder can escape.
So kann Gas in mehreren Verdichtungsstufen mit einem erfindungsgemäßen Membranverdichter komprimiert werden, in dem beispielsweise mit einem Elektromotor gegebenenfalls über ein Getriebe eine Exzenter- oder Nockenwelle angetrieben wird. Durch die Drehung die- ser Welle werden die Kolben der entsprechend verwendeten Verdichterstufen zwischen dem oberen und unteren Totpunkten translatorisch hin- und herbewegt. Dabei kann durch entsprechende Druckdifferenzen im jeweiligen Zylinder, in dem Flüssigkeit enthalten ist und der mittels einer Membran vom Zylinder getrennten Kammer entsprechend der Bewegungsrichtung des Kolbens Gas angesaugt oder komprimiert verdrängt werden. So wird bei der Bewegung des Kolbens in Richtung auf den unteren Totpunkt, also in Richtung auf die Drehachse der Nocken- oder Exzenterwelle und gleichzeitige Biegung der Membran in diese Richtung, das Volumen der Kammer vergrößert und das Gas durch den Gaseinlass und ein darin oder daran vorhandenes Rückschlagventil in die Kammer gesaugt . Nach Bewegungsrichtungsumkehr des Kolbens wirkt die Flüssigkeit durch Verringerung des Volumens im Zylinder gegen die Membran und diese wird in die gleiche Richtung, in die sich auch der Kolben bewegt, gebogen, so dass das Kammervolumen verringert und demzufolge das darin enthaltende Gas komprimiert und über den Gasauslass, in dem ebenfalls ein Rückschlagventil angeordnet ist, verdrängt wird. Von dort kann es durch einen entsprechend weiteren Gaseinlass in eine Kammer einer nachfolgenden Verdichtungsstufe, in der eine weitere Komprimierung des Gases erreicht wird, oder aus der letzten Verdichterstufe in einen Gasspeicher gepresst werden.For example, gas can be compressed in several compression stages with a membrane compressor according to the invention, in which, for example, an eccentric or camshaft is driven with an electric motor, possibly via a gear. As a result of the rotation of this shaft, the pistons of the correspondingly used compressor stages are moved back and forth between the top and bottom dead centers. Corresponding pressure differences can be found in the respective cylinder in which liquid is contained and that which is separated from the cylinder by means of a membrane Chamber be sucked in or compressed according to the direction of movement of the piston gas. Thus, when the piston moves towards bottom dead center, i.e. in the direction of the axis of rotation of the camshaft or eccentric shaft and at the same time the diaphragm bends in this direction, the volume of the chamber is increased and the gas through the gas inlet and a therein or thereon existing check valve is sucked into the chamber. After reversing the direction of movement of the piston, the liquid acts against the membrane by reducing the volume in the cylinder and this is bent in the same direction in which the piston moves, so that the chamber volume is reduced and consequently the gas contained therein is compressed and via the gas outlet , in which a check valve is also arranged, is displaced. From there, it can be pressed through a correspondingly further gas inlet into a chamber of a subsequent compression stage, in which further compression of the gas is achieved, or from the last compressor stage into a gas store.
Bei der Bewegung der Kolben der einzelnen Verdichterstufen in Richtung auf den unteren Totpunkt kann Flüssigkeit über jeweils eine Zuleitung in den Zylinder gesaugt werden, wobei auch hier in den Zuleitungen Rückschlagventile, die ein Zurückströmen von angesaugter Flüssigkeit verhindern, angeordnet sein sollten.When the pistons of the individual compressor stages move towards the bottom dead center, liquid can be sucked into the cylinder via a respective feed line, check valves should also be arranged in the feed lines here, which prevent the sucked-in liquid from flowing back.
Durch entsprechende Ausbildung und Anordnung der Aus- trittsöffnung aus den Zuleitungen, der Membrane und Zylinder kann gesichert werden, dass im Zylinder insbesondere beim Verdichtungstakt immer ein ausreichen- des Flüssigkeitsvolumen, möglichst im Überschuss ent- halten ist, so dass sämtliche Leckverluste des vorherigen Kompressionstaktes ausgeglichen werden können. Ein in der Praxis vorhandener geringer Überschuss kann bei Erreichen des oberen Totpunktes über ein Sicherheitsventil entweichen.By appropriate design and arrangement of the outlet opening from the supply lines, the membrane and cylinder, it can be ensured that in the cylinder, in particular during the compression cycle, there is always a sufficient volume of liquid, if possible in excess. hold so that all leakage losses from the previous compression cycle can be compensated. A small excess present in practice can escape via a safety valve when top dead center is reached.
Dieser Effekt kann selbstverständlich auch auf anderem Wege mit Elementen, wie z.B. mit der bereits erwähnten Förderpumpe erreicht werden.Of course, this effect can also be achieved in other ways with elements such as can be achieved with the feed pump already mentioned.
An den Gasverbindungsleitungen, über die die einzelnen Verdichterstufen und ein Gasspeicher angeschlossen werden können, sollten vorteilhafterweise Drucksensoren vorhanden sein, mit denen nach Über- bzw. nach Unterschreiten vorgebbarer Maximal- bzw. Mini- maldruckwerte eine Fehleranzeige oder eine Abschaltung des Antriebes für den Membranverdichter erreichbar sind.Pressure sensors should advantageously be present on the gas connection lines, via which the individual compressor stages and a gas storage device can be connected, with which pressure sensors can be used to indicate an error or to switch off the drive for the diaphragm compressor after the maximum or minimum pressure values which can be specified have been exceeded or fallen below are.
Normalerweise ist ein mit einem solchen Element geförderter Überschuss lediglich für die erste Verdichtungsstufe erforderlich. In den anderen Verdichtungs- stufen können Leckverluste durch Ansaugen von Flüssigkeit aus einem Sumpf mittels eines, bei Bewegung des Kolbens zum unteren Totpunkt erzeugten Unterdruckes ausgeglichen werden.Usually, an excess promoted with such an element is only required for the first compression stage. In the other compression stages, leakage losses can be compensated for by sucking in liquid from a sump by means of a negative pressure generated when the piston moves to the bottom dead center.
Es wäre Ideal, die Kammer genau auf das Fördervolumen abzustimmen. Ist die Kammer aber nur geringfügig kleiner, kann ein höherer Hydraulikdruck auftreten. Zur Verhinderung eines solchen Risikos und um vertretbare Herstellungstoleranzen zu ermöglichen, kann es außerdem vorteilhaft sein, das Volumen der Kammer der Verdichterstufen um mindestens 2,5%, bevorzugt um ca. 10% größer zu wählen, als das Hubvolumen der je- weiligen Kolben-Zylindereinheit, wodurch ebenfalls gesichert werden kann, dass der Verdichtungstakt problemlos durchgeführt werden kann.It would be ideal to match the chamber exactly to the volume of funding. If the chamber is only slightly smaller, a higher hydraulic pressure can occur. To prevent such a risk and to enable acceptable manufacturing tolerances, it can also be advantageous to choose the volume of the chamber of the compressor stages to be at least 2.5%, preferably about 10% larger than the stroke volume of the respective because piston-cylinder unit, which also ensures that the compression stroke can be carried out easily.
Zur Vermeidung, dass die Membran den Gasauslass verschließt, bevor das komprimierte Gas aus der Kammer beim Verdichtungstakt vollständig verdrängt worden ist, kann an der Innenwandung der Kammer, an der der Gasauslass angeordnet ist, ein elastisches Element, beispielsweise ein Gummipuffer, der in das Innere der Kammer hineinragt, eingesetzt werden, gegen das die Membran am Ende des Verdichtungstaktes gedrückt wird.To prevent the membrane from closing the gas outlet before the compressed gas has been completely displaced from the chamber during the compression stroke, an elastic element, for example a rubber buffer, can be attached to the inside wall of the chamber on which the gas outlet is arranged protrudes into the chamber, against which the membrane is pressed at the end of the compression stroke.
Vorteilhafterweise kann komprimiertes Gas gekühlt werden, wobei eine Kühlung nachfolgend an mindestens eine Verdichterstufe erfolgen kann. Dabei kann eine zwischen bzw. im Anschluß an mindestens eine Verdichterstufe vorhandene Gasführungsleitung, durch die das entsprechend komprimierte Gas geführt wird, gegebe- nenfalls mit Hilfe von zusätzlichen Wärmetauschern luft- oder wassergekühlt werden.Compressed gas can advantageously be cooled, with cooling subsequently being able to take place at at least one compressor stage. In this case, a gas guide line between or following at least one compressor stage, through which the correspondingly compressed gas is led, can be air-cooled or water-cooled with the aid of additional heat exchangers.
Zur Detektion von Membrandefekten kann in einer Leitung für komprimiertes Gas einen Sensor bzw. Detektor vorgesehen werden, mit dem erkannt werden kann, ob im komprimierten Gas Öl mitgeführt wird. Ein solcher Sensor kann beispielsweise eine Lichtquelle mit entsprechend zugehörig angeordnetem optischen Detektor sein, mit dem die Lichtintensität des von der Licht - quelle abgestrahlten Lichtes gemessen werden kann. Befindet sich Flüssigkeit, z.B. Öl im komprimierten Gas, sinkt der Messwert für die Lichtintensität und ein Membrandefekt kann diagnostiziert werden. Vorteilhafterweise ist ein solcher Sensor nachfolgend an den Gasauslass der letzten Verdichterstufe angeord- net .For the detection of membrane defects, a sensor or detector can be provided in a line for compressed gas, with which it can be recognized whether oil is carried in the compressed gas. Such a sensor can, for example, be a light source with a correspondingly arranged optical detector, with which the light intensity of the light emitted by the light source can be measured. If there is liquid, eg oil, in the compressed gas, the measured value for the light intensity drops and a membrane defect can be diagnosed. Such a sensor is advantageously arranged downstream of the gas outlet of the last compressor stage. net.
Der erfindungsgemäße Membranverdichter zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Verdichtern durch eine sichere Trennung von Gas und Flüssigkeit oder anderen kontaminierenden Bestandteilen aus. Er erfordert insbesondere wegen der günstigen Schmierungsverhältnisse an allen beweglichen Teilen geringere Fertigungstoleranzen.The membrane compressor according to the invention is distinguished from conventional compressors by the safe separation of gas and liquid or other contaminating constituents. In particular, because of the favorable lubrication conditions on all moving parts, it requires lower manufacturing tolerances.
Er kann einfach montiert werden, so dass geringe Fertigungskosten erreichbar sind. Bedingt durch den einfachen Aufbau und Montage können auch gegebenenfalls erforderliche Reparaturen einfach und schnell ausge- führt werden, wobei durch Drehen des Gehäuses um die Welle nach Öffnen des Gehäuses bzw. Gehäuseteilen, die Zugänglichkeit der einzelnen Elemente erreicht werden kann.It can be easily assembled so that low manufacturing costs can be achieved. Due to the simple construction and assembly, any necessary repairs can also be carried out simply and quickly, the accessibility of the individual elements being achieved by rotating the housing around the shaft after opening the housing or housing parts.
Obwohl das komprimierte Gas ölfrei ist, wird durch den Aufbau und das eingesetzte Funktionsprinzip eine sichere und ausreichende Schmierung, insbesondere auch für die translatorisch hin und her bewegten Kolben, mit dem erhöhten Flüssigkeitsdruck gesichert. Bei den Kolben kann auf die üblicherweise verwendeten Kolbenringe verzichtet werden.Although the compressed gas is oil-free, the structure and the functional principle used ensure safe and adequate lubrication, in particular also for the pistons moving back and forth, with the increased liquid pressure. For the pistons, the commonly used piston rings can be dispensed with.
Allein durch Variation der Antriebsdrehzahl können gewünschte Volumenströme erreicht werden. Zur Beein- flussung der Antriebsdrehzahl kann neben der Regelung eines Elektromotors auch ein Getriebe zwischengeschaltet werden, was im einfachsten und kostengünstigsten Fall ein Riemengetriebe sein kann. Bei hohen geforderten Volumenströmen kann es erforderlich sein, eine Vorverdichtung des zu komprimierenden Ga- ses vor der ersten Verdichterstufe, beispielsweise mit einem einfachen Radialverdichter, vorzusehen.The desired volume flows can be achieved simply by varying the drive speed. In addition to the control of an electric motor, a transmission can also be interposed to influence the drive speed, which in the simplest and cheapest case can be a belt transmission. With high required volume flows, it may be necessary to pre-compress the gas to be compressed. before the first compressor stage, for example with a simple radial compressor.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below by way of example.
Dabei zeigen:Show:
Figur 1 eine Schnittdarstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Membranverdichters;Figure 1 is a sectional view of an example of a membrane compressor according to the invention;
Figur la einen gegenüber dem in Figur 1 gezeigtenFigure la one compared to that shown in Figure 1
Beispiel modifizierten Membranverdichter in einer Schnittdarstellung;Example modified membrane compressor in a sectional view;
Figur 2 eine um 90° gedrehte Ansicht, in einerFigure 2 is a view rotated by 90 °, in a
Schnittdarstellung, des in Figur 1 gezeigten Beispiels;Sectional view of the example shown in Figure 1;
Figur 2a das in Figur la gezeigte Beispiel in einer um 90° gedrehten Ansicht in einer Schnitt - darstellung;Figure 2a shows the example shown in Figure la in a view rotated by 90 ° in a sectional view;
Figur 3 eine Förderpumpe für Flüssigkeit in drei verschiedenen Betriebsstellungen;Figure 3 shows a feed pump for liquid in three different operating positions;
Figur 4 schematische Darstellungen von Zylinder und Kammer trennenden Membranen in unterschiedlichen Betriebszuständen;FIG. 4 shows schematic representations of membranes separating cylinders and chambers in different operating states;
Figur 5 ein Beispiel eines Gaseinlassventiles ;Figure 5 shows an example of a gas inlet valve;
Figur 6 ein Beispiel eines Gasauslassventiles ;FIG. 6 shows an example of a gas outlet valve;
Figur 7 Beispiele von Randausbildungen der Membran zur kraft- und formschlüssigen Fixierung der Membran in einem Gehäuse;Figure 7 Examples of edge designs of the membrane for the non-positive and positive fixing of the membrane in a housing;
Figur 8 ein Beispiel eines druckgesteuerten Sicher- heitsventiles .FIG. 8 shows an example of a pressure-controlled safety valve.
Mit den Figuren 1, la, 2 und 2a sind Beispiele eines erfindungsgemäßen Membranverdichters 100 mit jeweils vier Verdichtungsstufen 1 bis 4 schematisch in unter- schiedlichen Ansichten dargestellt. Bei einem Verdichtungsverhältnis in den einzelnen Verdichtungsstufen von jeweils 1:4 kann ein Enddruck von ca. 256 bar, bei einem Ausgangsdruck, der an einem Gaseinlass 9 an der Verdichtungsstufe 1 von nur wenigen kPa über dem Atmosphärendruck anliegt, erreicht werden.1, 1a, 2 and 2a schematically show examples of a diaphragm compressor 100 according to the invention, each with four compression stages 1 to 4, in different views. With a compression ratio in the individual compression stages of 1: 4 in each case, a final pressure of approximately 256 bar can be achieved, with an outlet pressure which is present at a gas inlet 9 at compression stage 1 of only a few kPa above atmospheric pressure.
Bei den in den Figuren 1, la, 2 und 2a gezeigten Beispielen sind die die Verdichtungsstufen bildenden Kolben-Zylindereinheiten mit Membran 5 und den Kam- mern 8 in einem Winkelabstand von jeweils 90° um die Drehachse der hier verwendeten Exzenterwelle 18 angeordnet .In the examples shown in FIGS. 1, 1 a, 2 and 2 a, the piston-cylinder units with membrane 5 and the chambers 8 forming the compression stages are arranged at an angular distance of 90 ° in each case about the axis of rotation of the eccentric shaft 18 used here.
In sämtlichen Figuren wurde auf die Darstellung der Verbindungsleitungen für das Gas, über die das komprimierte Gas von Verdichtungsstufe zu Verdichtungs- stufe geführt wird, verzichtet. In den in Figuren 1 und la gezeigten Ansichten, sind lediglich die Verdichtungsstufen 1 und 2 erkennbar, die sich diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Dementsprechend kann gesichert werden, dass zu Zeitpunkten, an denen sich der Kolben 13 der hier vertikal oben angeordneten Verdichtungsstufe 1 im unteren Totpunkt befindet, also der Ansaugtakt ausgeführt worden ist, sich der Kolben 13 der Verdichtungsstufe 2 in seinem oberen Totpunkt befindet, also der Verdichtungstakt ausgeführt worden ist. Sinngemäß trifft dies auch auf die in den Figuren 2 und 2a erkennbaren Verdichtungsstufen 3 und 4 zu.In all figures, the connection lines for the gas, via which the compressed gas is led from compression stage to compression stage, have been omitted. In the views shown in FIGS. 1 and 1 a, only the compression stages 1 and 2 can be seen, which are arranged diametrically opposite one another. Accordingly, it can be ensured that at times at which the piston 13 of the compression stage 1 arranged vertically above is at the bottom dead center, that is to say the intake stroke has been carried out, the piston 13 of the compression stage 2 is at its top Dead center is located, so the compression stroke has been carried out. Analogously, this also applies to the compression stages 3 and 4 which can be seen in FIGS. 2 and 2a.
Die Exzenterwelle 18 ist mit Wälzlagern im Gehäuse 6 des Membranverdichters 100 gelagert, und auf dem exzentrisch ausgebildeten Teil der Exzenterwelle 18 sind Wälzlager 17 aufgebracht, wobei mit jedem der Wälzlager 17 ein Kolben 13 einer Verdichtungsstufe 1 bis 4 mit einer Stirnfläche in Kontakt steht und bei Drehung der Exzenterwelle 18 translatorisch hin- und herbewegt werden kann.The eccentric shaft 18 is mounted with roller bearings in the housing 6 of the diaphragm compressor 100, and roller bearings 17 are applied to the eccentrically formed part of the eccentric shaft 18, with each of the roller bearings 17 having a piston 13 of a compression stage 1 to 4 in contact with an end face and at Rotation of the eccentric shaft 18 can be moved back and forth in translation.
Zur Sicherung eines innigen Kontaktes der Stirnfläche des jeweiligen Kolbens 13 mit der Oberfläche seines zugeordneten Wälzlagers 17 und hier insbesondere für die Rückbewegung zum jeweiligen unteren Totpunkt, sind in den Zylindern 7 Federn 35 fixiert, die den Kolben 13 mit einer entsprechenden Druckkraft in die gewünschte Richtung beaufschlagen.To ensure intimate contact of the end face of the respective piston 13 with the surface of its associated roller bearing 17 and here in particular for the return movement to the respective bottom dead center, 7 springs 35 are fixed in the cylinders, which the piston 13 with a corresponding pressure force in the desired direction apply.
An der Exzenterwelle 18 sind beidseitig zu dem exzentrisch ausgebildeten Teil Ausgleichsmassen 32 ausge- bildet oder daran befestigt, um Unwuchten beim Drehen der Exzenterwelle 18 zu vermeiden.Compensation masses 32 are formed on or attached to the eccentric shaft 18 on both sides of the eccentrically designed part in order to avoid unbalance when the eccentric shaft 18 rotates.
An jeder Kammer 8 einer Verdichtungsstufe 1 bis 4 ist ein Gaseinlass 9 und ein Gasauslass 10 vorhanden, in denen entsprechend der gewünschten Strömungsrichtung des Gases Rückschlagventile 33 und 34 angeordnet sind.At each chamber 8 of a compression stage 1 to 4 there is a gas inlet 9 and a gas outlet 10, in which check valves 33 and 34 are arranged in accordance with the desired flow direction of the gas.
Im unteren Teil des Gehäuses 6 ist ein Sumpf 14 einer geeigneten und für den Betrieb des Membranverdichters erforderlichen Flüssigkeit, beispielsweise einem Hy- drauliköl, mit einem bestimmten Ölstand 15 vorhanden, aus dem die Flüssigkeit über die Zuführungen 24, 25, 26 und 27 in die Zylinder 7, der einzelnen Verdichtungsstufen 1 bis 4 gelangen kann. In jeder der Zuführungen 24, 25, 26 und 27 ist ein Rückschlagventil 28, mit dem das Rückströmen der Flüssigkeit aus dem Zylinder 7 in den Sumpf 14 verhindert werden kann, angeordnet .In the lower part of the housing 6 there is a sump 14 which is suitable for the operation of the diaphragm compressor required liquid, for example a hydraulic oil, with a certain oil level 15, from which the liquid can reach the cylinders 7, the individual compression stages 1 to 4 via the feeds 24, 25, 26 and 27. In each of the feeds 24, 25, 26 and 27, a check valve 28 is arranged, with which the backflow of the liquid from the cylinder 7 into the sump 14 can be prevented.
Bei den hier gezeigten Beispielen von Membranverdichtern 100 erfolgt die Förderung der Flüssigkeit aus dem Sumpf 14 in die Zylinder 7 in die Verdichtungs- stufen 2, 3 und 4, ausschließlich durch Saugwirkung während der Ansaugtakte, d.h. bei Bewegung des jeweiligen Kolbens 13 in Richtung auf den jeweiligen unteren Totpunkt .In the examples of diaphragm compressors 100 shown here, the liquid is conveyed from the sump 14 into the cylinders 7 into the compression stages 2, 3 and 4, exclusively by suction during the intake cycles, i.e. when the respective piston 13 moves in the direction of the respective bottom dead center.
Bei der hier vertikal oben am Gehäuse 6 angeordneten Verdichtungsstufe 1 erfolgt die Förderung der Flüssigkeit bzw. des Hydrauliköles mit Hilfe der am Boden des Gehäuses 6, im Bereich des Sumpfes 14 angeordneten Kolbenpumpe 16, die ebenfalls von der Exzenterwelle 18 über ein Wälzlager 17 angetrieben wird. Da- bei ist die Kolbenpumpe 16 so angeordnet, dass die Flüssigkeit bei Bewegung des Kolbens 21, wie in der rechten Darstellung von Figur 3 gezeigt, in den Zylinder 7 der Verdichtungsstufe 1 gefördert wird, wenn sich der Kolben 13 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt bewegt. Mit einer solchen Kolbenpumpe 16 kann ein definiertes Flüssigkeitsvolumen bei jedem Zyklus in den Zylinder 7 der Verdichtungsstufe 1 gefördert werden, um insbesondere die zwischen Kolben- und Zylinderwand auftretenden Leckverluste auszuglei- chen und zu sichern, dass der Zylinder 7 immer aus- reichend mit Flüssigkeit gefüllt ist .In the compression stage 1 arranged vertically at the top of the housing 6 here, the liquid or hydraulic oil is conveyed with the aid of the piston pump 16 arranged at the bottom of the housing 6, in the region of the sump 14, which is also driven by the eccentric shaft 18 via a roller bearing 17 , The piston pump 16 is arranged such that the liquid is conveyed into the cylinder 7 of the compression stage 1 when the piston 21 moves, as shown in the right illustration of FIG. 3, when the piston 13 moves towards its bottom dead center emotional. With a piston pump 16 of this type, a defined volume of liquid can be pumped into the cylinder 7 of the compression stage 1 in each cycle, in particular to compensate for the leakage losses occurring between the piston and cylinder walls and to ensure that the cylinder 7 is always is sufficiently filled with liquid.
Nach Ausführung des Ansaugtaktes erfolgt für die jeweilige Verdichtungsstufe 1 bis 4 durch entgegenge- setzte Bewegung des Kolbens 13 in Richtung auf seinen oberen Totpunkt die Ausführung des Verdichtungstaktes, wobei die im Zylinder 7 vorhandene Flüssigkeit gegen die den Zylinder 7 und die Kammer 8 trennende Membran 5 wirkt und sich die Membran 5 auf die andere Kammerwand zu bewegt, so dass das Kammervolumen verringert, das darin enthaltene Gas komprimiert und über den Gasauslass 10 entweder in die nachfolgende Verdichtungsstufe oder in einen an die Verdichtungs- stufe 4 angeschlossenen Gasspeicher verdrängt wird.After execution of the intake stroke, the compression stroke is carried out for the respective compression stage 1 to 4 by moving the piston 13 in the direction toward its top dead center, the liquid present in the cylinder 7 against the membrane 5 separating the cylinder 7 and the chamber 8 acts and the membrane 5 moves towards the other chamber wall, so that the chamber volume is reduced, the gas contained therein is compressed and displaced via the gas outlet 10 either into the subsequent compression stage or into a gas storage unit connected to the compression stage 4.
Bei den hier gezeigten Beispielen wurden Membranen 5 aus Elastomer eingesetzt, die einen zentralen versteiften Bereich 101, beispielsweise eine Metallplatte aufweisen. Der sich daran anschließende äußere Randbereich 5a ist dadurch, wie dies insbesondere inIn the examples shown here, membranes 5 made of elastomer were used, which have a central stiffened area 101, for example a metal plate. The adjoining outer edge region 5a is as shown in particular in FIG
Figur 4 erkennbar wird, flexibel und elastisch.Figure 4 becomes recognizable, flexible and elastic.
Am jeweils oberen Rand der Zylinder 7 ist eine Schulter 11 ausgebildet, an der sich bei Ausführung des Ansaugtaktes, also Bewegung des jeweiligen Kolbens 13 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt, bevorzugt vor dessen Erreichen der zentrale versteifte Bereich 101 der Membran 5 anlegt. Dadurch kann in dem so verschlossenen Zylinder 7, bei Weiterbewegung des Kol- bens 13 zum unteren Totpunkt, ein Unterdruck generiert und Flüssigkeit in den Zylinder 7 angesaugt werden.A shoulder 11 is formed on the upper edge of the cylinders 7, against which the central stiffened area 101 of the diaphragm 5 bears when the intake stroke is executed, that is to say the movement of the respective piston 13 toward its bottom dead center, preferably before it is reached. As a result, a negative pressure can be generated in the cylinder 7 closed in this way when the piston 13 moves further to the bottom dead center, and liquid can be sucked into the cylinder 7.
Der sich an die Schulter 11 anschließende Bereich des Zylinderrandes ist abgeschrägt ausgebildet, so dass sich der flexible Randbereich 5a der Membran 5 bei Ausführung des Ansaugtaktes daran schonend anlegen kann und die dort noch befindliche Flüssigkeit sicher verdrängt wird. Zur Schonung des flexiblen Randberei- ches 5a ist auch der Rand der Kammer 8 entsprechend abgeschrägt ausgebildet .The region of the cylinder edge adjoining the shoulder 11 is bevelled, so that the flexible edge region 5a of the membrane 5 can gently rest against it when the intake stroke is carried out and the liquid still located there is reliably displaced. In order to protect the flexible edge area 5a, the edge of the chamber 8 is also bevelled accordingly.
Insbesondere an der Verdichtungsstufe 1 ist an der oberen Kammerwand ein elastisches Element, hier ein Gummipuffer 31 angeordnet, der zumindest soweit in das Innere der Kammer 8 hineinragt, dass bei Ausführung des Verdichtungstaktes, der Gasauslass 10 nicht vor der vollständigen Verdrängung des komprimierten Gases aus der Kammer von der Membran 5 verschlossen wird.At the compression stage 1 in particular, an elastic element, here a rubber buffer 31, is arranged on the upper chamber wall, which protrudes at least to the extent into the interior of the chamber 8 that when the compression cycle is carried out, the gas outlet 10 does not precede the complete displacement of the compressed gas from the Chamber is closed by the membrane 5.
An der Verdichtungsstufe 1 ist auch ein einstellbares Sicherheitsventil 30, das an den Zylinder 7 angeschlossen ist, dargestellt. Mit einem solchen Sicher- heitsventil 30 können Überdrücke im Zylinder 7 vermieden und überschüssiges Flüssigkeitsvolumen abgeführt werden, wenn der Öffnungsdruck des jeweiligen Sicherheitsventils 30 geringfügig (z.B. 0,5 bar) über dem maximal zulässigen Druck im Zylinder 7 und dem- entsprechend auch dem Maximaldruck in der Kammer 8 bei Ausführung des Verdichtungstaktes, liegt. Selbstverständlich können solche Sicherheitsventile 30 auch an allen vier Verdichtungsstufen 1 bis 4 vorhanden sein .An adjustable safety valve 30, which is connected to the cylinder 7, is also shown at the compression stage 1. With such a safety valve 30, excess pressures in the cylinder 7 can be avoided and excess liquid volume can be discharged if the opening pressure of the respective safety valve 30 is slightly (eg 0.5 bar) above the maximum permissible pressure in the cylinder 7 and accordingly also the maximum pressure in the chamber 8 when the compression stroke is carried out. Such safety valves 30 can of course also be present on all four compression stages 1 to 4.
Bei den hier gezeigten Beispielen sind die Kolben 13 der Verdichtungsstufen 1 und 2 tassenförmig und hohl ausgebildet. Beim sich unterhalb der Drehachse der Exzenterwelle 18 angeordneten Kolben 13, der Verdich- tungsstufe 2 ist in seiner hier oberen Stirnfläche, die in Richtung auf die Exzenterwelle 18 weist, eine Entlüftungsbohrung 13.1 mit einem Durchmesser von ca. 0,3 mm ausgebildet, mit der das Entweichen von eingedrungener Luft nach Betriebspausen des Membranver- dichters 100 erreicht werden kann, die aber wegen der so kleinen Entlüftungsbohrung 13.1 nur einen geringen Flüssigkeitsleckverlust zulässt .In the examples shown here, the pistons 13 of compression stages 1 and 2 are cup-shaped and hollow. In the case of the piston 13 arranged below the axis of rotation of the eccentric shaft 18, the compression stage 2 is in its upper end face here, which points in the direction of the eccentric shaft 18, a vent hole 13.1 with a diameter of approximately 0.3 mm is formed, with which the escape of air which has entered can be achieved after the membrane compressor 100 has been out of service, but which is due to the small vent hole 13.1 allows only a small loss of fluid leakage.
Bei der Membran 5, die für die Verdichtungsstufe 1 verwendet worden ist, wurde auf eine Feder 12, mit der die Membran 5 vorgespannt wird, verzichtet, da eine Kraftwirkung in Richtung auf den unteren Totpunkt, allein schwerkraftbedingt erreicht werden kann. Bei den anderen Verdichtungsstufen, sind an den Membranen 5 entsprechende Federn 12 vorhanden, um diese Bewegung zu unterstützen.In the diaphragm 5, which was used for the compression stage 1, a spring 12, with which the diaphragm 5 is prestressed, was dispensed with, since a force effect in the direction of bottom dead center can be achieved solely due to gravity. In the other compression stages, corresponding springs 12 are present on the membranes 5 in order to support this movement.
Das in den Figuren la und 2a gezeigte Beispiel eines Membranverdichters 100 unterscheidet sich gegenüber dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Beispiel im Wesentlichen durch die Anordnung der Zuführung 25 für Flüssigkeit in den Zylinder 7 der Verdichtungsstufe 2 und die zusätzliche Darstellung von Gaseinlass und -auslass 9 und 10 mit Rückschlagventilen 33 und 34 an der Verdichtungsstufe 1.The example of a diaphragm compressor 100 shown in FIGS. 1 a and 2 a differs from the example shown in FIGS. 1 and 2 essentially by the arrangement of the feed 25 for liquid in the cylinder 7 of the compression stage 2 and the additional representation of the gas inlet and outlet 9 and 10 with check valves 33 and 34 at compression stage 1.
In den Figuren 2 und 2a ist die Förderpumpe 16 in versetzter Anordnung dargestellt, um das Funktions- prinzip deutlicher herauszustellen. Tatsächlich ist die Kolbenpumpe 16 fluchtend zum Kolben 13 der Verdichtungsstufe 2 unter der Drehachse der Exzenterwelle 18 angeordnet.In Figures 2 and 2a, the feed pump 16 is shown in a staggered arrangement in order to emphasize the functional principle. In fact, the piston pump 16 is aligned with the piston 13 of the compression stage 2 below the axis of rotation of the eccentric shaft 18.
In Figur 1 rechts unten und der Figur 3 ist der Auf- bau einer solchen Kolbenpumpe 16 schematisch darge- stellt. Der Kolben 21 ist im Zylinder 20 geführt und wird mit der Druckfeder 22 gegen ein Wälzlager 17 vorgespannt, so dass sich der Kolben bei Drehung der Exzenterwelle auf und ab bewegen kann, wie dies in den verschiedenen Darstellungen von Figur 3 erkennbar ist. In der in Figur 3 links dargestellten Position befindet sich der Kolben 21 in seiner obersten Position und die Zuführöffnung 19 ist frei gegeben. Durch Weiterdrehen der Exzenterwelle wird der Kolben 21 nach unten bewegt, die Zuführöffnung 19 verschlossen und die im Zylinder 20 enthaltene Flüssigkeit durch das am unteren Teil des Zylinders 20 angeordnete Rückschlagventil 23 in die Zuführung 24 und von dort über das weitere Rückschlagventil 28 in den Zylinder 7 der Verdichtungsstufe 1 gefördert. Die Zuführöffnung 19 ist unterhalb des Ölstandes 15 angeordnet.The structure of such a piston pump 16 is shown schematically in FIG. 1 at the bottom right and FIG. provides. The piston 21 is guided in the cylinder 20 and is biased with the compression spring 22 against a roller bearing 17, so that the piston can move up and down when the eccentric shaft rotates, as can be seen in the various representations of FIG. 3. In the position shown on the left in FIG. 3, the piston 21 is in its uppermost position and the feed opening 19 is exposed. By turning the eccentric shaft further, the piston 21 is moved downward, the feed opening 19 is closed and the liquid contained in the cylinder 20 through the check valve 23 arranged at the lower part of the cylinder 20 into the feed 24 and from there via the further check valve 28 into the cylinder 7 promoted compression level 1. The feed opening 19 is arranged below the oil level 15.
Die in den Figuren 1, la, 2 und 2a gezeigten Beispiele können aber auch dahingehend modifiziert werden, dass nicht wie hier gezeigt ein Vierstufen-Membranverdichter 100, sondern lediglich ein zweistufiger Membranverdichter 100 ausgebildet wird. Dazu kann auf die Verdichtungsstufen 1 und 2 oder die Verdichtungs- stufen 3 und 4 verzichtet werden.However, the examples shown in FIGS. 1, 1 a, 2 and 2 a can also be modified such that a four-stage diaphragm compressor 100 is not formed, as shown here, but only a two-stage diaphragm compressor 100. For this purpose, compression stages 1 and 2 or compression stages 3 and 4 can be omitted.
Die Membranen 5 bestehen aus einem geeigneten flexiblen Material, wie beispielsweise ein solches, das unter der Handelsbezeichnung "Viton" erhältlich ist und die ansonsten flexible Membran 5 ist in ihrem zentralen Bereich 101 mit der bereits erwähnten Metallscheibe oder in anderer Form versteift, so dass die Membran 5 in diesem kritischen Bereich ausreichend stabil ist und insbesondere bei hohen Drücken den entsprechend wirkenden hohen Kräften widerstehen kann. Außerdem sichert der zentrale versteifte Be- reich 101, dass beim Anlegen an die Schulter 11 keine weitere Durchbiegung der Membran auftreten kann.The membranes 5 are made of a suitable flexible material, such as one that is available under the trade name "Viton", and the otherwise flexible membrane 5 is stiffened in its central region 101 with the metal disc already mentioned or in some other form, so that the Membrane 5 is sufficiently stable in this critical area and can withstand the correspondingly acting high forces, in particular at high pressures. In addition, the central stiffened loading secures rich 101 that no further deflection of the membrane can occur when applied to the shoulder 11.
Mit den Federn 12 wird eine Kraftwirkung auf die Mem- branen 5 ausgeübt, so dass bei Ausführung des Ansaugtaktes der flexible Randbereich 5a in Richtung auf die Schulter 11 abrollt und dass die sich zwischen dem flexiblen Randbereich 5a und der abgeschrägten Zylinderwand befindliche Flüssigkeit vollständig ver- drängt wird, bevor der zentrale versteifte Bereich 101 auf der Schulter 11 aufsitzt und so Ölverluste vermieden werden können.A force is exerted on the membranes 5 by the springs 12, so that when the suction stroke is carried out, the flexible edge area 5a rolls in the direction of the shoulder 11 and that the liquid located between the flexible edge area 5a and the beveled cylinder wall is completely distorted. is pressed before the central stiffened area 101 sits on the shoulder 11 and thus oil losses can be avoided.
In Figur 4 sind verschiedene Positionen der Membran 5 dargestellt, die unterschiedlichen Betriebszuständen einer Verdichterstufe entsprechen. Dabei zeigen die Figuren 4a bis 4d eine Membran 5 allein, wie sie beispielsweise bei der Verdichterstufe 1 einsetzbar ist und die Figuren 4e bis 4h eine Membran 5 mit zusätz- licher Feder 12.FIG. 4 shows various positions of the membrane 5, which correspond to different operating states of a compressor stage. 4a to 4d show a membrane 5 alone, as can be used, for example, in the compressor stage 1, and FIGS. 4e to 4h show a membrane 5 with an additional spring 12.
Bei den Figuren 4a und 4e befindet sich die Membran 5 kurz vor bzw. am Ende des Verdichtungstaktes, bei dem sich der jeweilige Kolben 13 kurz vor bzw. an seinem oberen Totpunkt befindet.In FIGS. 4a and 4e, the membrane 5 is located shortly before or at the end of the compression stroke, in which the respective piston 13 is shortly before or at its top dead center.
Nach Bewegungsrichtungsumkehr des Kolbens 13 in Richtung auf seinen unteren Totpunkt verringert sich der Druck im Zylinder 7 und die Membran bewegt sich, wie mit den Figuren 4b bis 4d und 4f bis 4h in die gleiche Richtung. Dabei wird deutlich, dass diese Bewegung mittels der Feder 12 unterstützt und beschleunigt werden kann. Bei dieser Bewegung der Membran 5 legt sich der flexible Randbereich 5a an die Schräge der Zylinderwand an, verdrängt dort gegebenenfalls noch vorhandene Flüssigkeit durch den Spalt zwischen versteiftem Bereich 101 der Membran 5 und der Schulter 11, bis sich der versteifte zentrale Bereich 101 abdichtend an die Schulter 11 anlegt. Zu diesem Zeit- punkt ist die Kammer 8 durch Ansaugen von Gas vollständig befüllt und bei Weiterbewegung des Kolbens 13 in Richtung auf den unteren Totpunkt verringert sich der Druck im Zylinder 7, so dass durch die jeweilige Zuführung 24, 25, 26 und 27 Flüssigkeit in den Zylin- der 7 angesaugt werden kann.After reversing the direction of movement of the piston 13 in the direction of its bottom dead center, the pressure in the cylinder 7 decreases and the diaphragm moves in the same direction as in FIGS. 4b to 4d and 4f to 4h. It becomes clear that this movement can be supported and accelerated by means of the spring 12. During this movement of the membrane 5, the flexible edge region 5a rests against the slope of the cylinder wall, possibly displacing it there any liquid still present through the gap between the stiffened area 101 of the membrane 5 and the shoulder 11 until the stiffened central area 101 seals against the shoulder 11. At this point in time, the chamber 8 is completely filled by sucking in gas, and when the piston 13 moves further towards the bottom dead center, the pressure in the cylinder 7 decreases, so that liquid in through the respective feed 24, 25, 26 and 27 the cylinder 7 can be sucked in.
Die Figur 5 zeigt ein Beispiel eines Einlassventiles 33 für Gas in einer Explosions- und einer Schnittdarstellung.FIG. 5 shows an example of an inlet valve 33 for gas in an exploded and a sectional view.
Figur 6 zeigt entsprechend ein Auslassventil für Gas in einer Explosions- und Schnittdarstellung.Figure 6 accordingly shows an outlet valve for gas in an exploded and sectional view.
Beispiele für die Ausbildung des radial äußeren Ran- des der Membran 5, der kraft- und/oder formschlüssig im Gehäuse 6 gehalten werden kann, sind in Figur 7 dargestellt. Dabei ist insbesondere das rechts dargestellte Beispiel zu bevorzugen.Examples of the formation of the radially outer edge of the membrane 5, which can be held in the housing 6 in a non-positive and / or positive manner, are shown in FIG. The example shown on the right is particularly preferable.
In der Figur 8 ist ein Beispiel eines druckgesteuerten Sicherheitsventiles 30 dargestellt, bei dem zur Steuerung sowohl der Druck in der Kammer 8 , wie auch im Zylinder 7, der jeweiligen Verdichtungsstufe genutzt werden kann. FIG. 8 shows an example of a pressure-controlled safety valve 30, in which both the pressure in the chamber 8 and in the cylinder 7 of the respective compression stage can be used for control purposes.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mehrstufiger Membranverdichter für Gase, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens zwei Kolben-Zylindereinheiten (7, 13) in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander, um die Drehachse einer Nocken- oder Exzenterwelle (18) angeordnet sind; dass die Zylinder (7) zur Befüllung mit einer Flüssigkeit über Zuleitungen (24, 25, 26, 27), in denen Rückschlagventile (28) vorhanden sind, mit einem eine Flüssigkeit enthaltenden Sumpf (14) verbun- den sind, dass die Zylinder (7) von Kammern (8) mittels einer Membran (5) getrennt, an die Kammern (8) jeweils ein Gasein- und ein Gasauslass (9, 10) mit jeweils einem Rückschlagventil (33, 34) angeschlossen sind und jeweils eine Kolben- Zylindereinheit (7, 13) mit Membran (5) und Kammer (8) eine Verdichterstufe (1, 2, 3, 4) bilden.1. Multi-stage diaphragm compressor for gases, so that at least two piston-cylinder units (7, 13) are arranged at the same angular distance from each other around the axis of rotation of a cam or eccentric shaft (18); that the cylinders (7) for filling with a liquid are connected to a sump (14) containing a liquid via feed lines (24, 25, 26, 27) in which check valves (28) are present, that the cylinders ( 7) separated from chambers (8) by means of a membrane (5), to each of the chambers (8) a gas inlet and a gas outlet (9, 10), each with a check valve (33, 34), and a piston-cylinder unit (7, 13) with membrane (5) and chamber (8) form a compressor stage (1, 2, 3, 4).
2. Membranverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei2. Diaphragm compressor according to claim 1, characterized in that at least two
Kolben-Zylindereinheiten (7, 13) mit zugehörigen Kammern (8) sich diametral gegenüberliegend, angeordnet sind.Piston-cylinder units (7, 13) with associated chambers (8) are arranged diametrically opposite one another.
3. Membranverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Kolben-Zylindereinheiten (7, 13) mit zugehörigen Kammern (8) in einem Winkelabstand von 120° zueinander angeordnet sind. 3. Diaphragm compressor according to claim 1, characterized in that at least three piston-cylinder units (7, 13) with associated chambers (8) are arranged at an angular distance of 120 ° to one another.
4. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kolben- Zylindereinheiten (7, 13) mit zugehörigen Kammern (8) in einer Ebene in Reihe angeordnet sind.4. Diaphragm compressor according to one of claims 1 to 3, characterized in that a plurality of piston-cylinder units (7, 13) with associated chambers (8) are arranged in a plane in a row.
5. Membranverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vier Kolben-Zylindereinheiten (7, 13) mit zugehörigen Kammern (8) in einem Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet sind.5. Diaphragm compressor according to claim 1, characterized in that four piston-cylinder units (7, 13) with associated chambers (8) are arranged at an angular distance of 90 ° to one another.
6. Membranverdichter nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an die Zuleitung (24) für den vertikal, oben angeordneten Zylinder (7) eine im Sumpf (14) angeordnete Förderpumpe (16) angeschlossen ist.6. Diaphragm compressor according to claim 1 or 5, characterized in that a feed pump (16) arranged in the sump (14) is connected to the feed line (24) for the vertical cylinder (7) arranged at the top.
7. Membranverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderpumpe7. Diaphragm compressor according to claim 6, characterized in that the feed pump
(16) eine von der Nocken- oder Exzenterwelle (18) angetriebene Kolben- oder Membranpumpe ist.(16) is a piston or diaphragm pump driven by the cam or eccentric shaft (18).
8. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Exzenterwelle (18) jeweils ein Wälzlager (17) für den Antrieb eines Kolbens (13) und/oder der Förderpumpe (16) befestigt ist/sind.8. Diaphragm compressor according to one of claims 1 to 7, characterized in that a roller bearing (17) for driving a piston (13) and / or the feed pump (16) is / are attached to the eccentric shaft (18).
9. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis9. Membrane compressor according to one of claims 1 to
8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (13) gegen die Nocken- oder Exzenterwelle (18) druck- kraftbeaufschlagt sind. 8, characterized in that the pistons (13) are pressurized against the cam or eccentric shaft (18).
10. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis10. Membrane compressor according to one of claims 1 to
9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (5) einen zentralen versteiften Mittelteil (101) und einen äußeren flexiblen Randbereich (5a) aufweisen.9, characterized in that the membranes (5) have a central stiffened central part (101) and an outer flexible edge region (5a).
11. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis11. Membrane compressor according to one of claims 1 to
10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (5) mit Druckfedern (12) vorgespannt sind.10, characterized in that the membranes (5) are prestressed with compression springs (12).
12. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Rand der Zylinder (7) in Form einer Schulter (11) zur Anlage eines Teiles des zentralen versteiften Bereiches (101) vor Erreichen der unteren Tot- punktstellung des jeweiligen Kolbens (13), ausgebildet ist .12. Diaphragm compressor according to one of claims 1 to 11, characterized in that the upper edge of the cylinder (7) in the form of a shoulder (11) for abutting a part of the central stiffened area (101) before reaching the bottom dead center position of the respective Piston (13) is formed.
13. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der sich an die13. Diaphragm compressor according to one of claims 1 to 12, characterized in that the to
Schulter (11) anschließende periphere Randbereich des oberen Randes des Zylinders (7) und der entsprechende Randbereich der Kammer (8), an denen sich in der oberen und unteren Totpunkt- Stellung des Kolbens (13) der flexible Randbereich (5a) der Membran (5) anlegt, abgeschrägt sind.Shoulder (11) adjoining peripheral edge region of the upper edge of the cylinder (7) and the corresponding edge region of the chamber (8), on which the flexible edge region (5a) of the membrane (5a) is located in the upper and lower dead center position of the piston (13). 5) created, beveled.
14. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem Zylinder (7) ein Sicherheitsventil (30) , dessen Öffnungsdruck größer als der maximal auftretende Arbeitsdruck im Zylinder (7) ist, angeschlossen ist. 14. Diaphragm compressor according to one of claims 1 to 13, characterized in that a safety valve (30), the opening pressure of which is greater than the maximum working pressure occurring in the cylinder (7), is connected to at least one cylinder (7).
15. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis15. Diaphragm compressor according to one of claims 1 to
14, dadurch gekennzeichnet, dass sich von der Horizontalen abweichend translatorisch hin- und herbewegende Kolben (13), als in Richtung auf die jeweilige Membran (5) offene Hubkolben ausgebildet sind.14, characterized in that pistons (13) which move translationally back and forth are formed as reciprocating pistons open in the direction of the respective membrane (5).
16. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis16. Diaphragm compressor according to one of claims 1 to
15, dadurch gekennzeichnet, dass in der mit der Exzenter-, Nockenwelle (18) oder einem Wälzlager15, characterized in that with the eccentric, camshaft (18) or a roller bearing
(17) in Berührung stehenden Stirnfläche eines Kolbens (13) , einer unterhalb der Drehachse der Exzenter- oder Nockenwelle (18) angeordneten Kolben-Zylindereinheit (7, 13) eine Entlüftungs- bohrung (13.1) ausgebildet ist.(17) in contact with the end face of a piston (13), a ventilation bore (13.1) is formed below the axis of rotation of the eccentric or camshaft (18) piston-cylinder unit (7, 13).
17. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis17. Diaphragm compressor according to one of claims 1 to
16, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (5) an ihrem äußeren Rand im Gehäuse (6) form- und/oder kraftschlüssig gehalten sind.16, characterized in that the membranes (5) are held on their outer edge in the housing (6) in a positive and / or non-positive manner.
18. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis18. Diaphragm compressor according to one of claims 1 to
17, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Kammern (8) um jeweils mindestens 2,5% größer als das Hubvolumen der entsprechenden Kolben-17, characterized in that the volume of the chambers (8) is in each case at least 2.5% larger than the stroke volume of the corresponding piston
Zylindereinheit (7, 13) ist.Cylinder unit (7, 13).
19. Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis19. Diaphragm compressor according to one of claims 1 to
18, dadurch gekennzeichnet, dass an der Wandung der Kammer (8) , an der der Gasauslass (10) angeordnet ist, ein in das innere der Kammer (8) ragendes elastisches Element (31) vorhanden ist.18, characterized in that on the wall of the chamber (8) on which the gas outlet (10) is arranged there is an elastic element (31) projecting into the interior of the chamber (8).
20. Verfahren zur mehrstufigen Verdichtung eines Gases mit einem Membranverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch Drehung einer Exzenter- oder Nockenwelle (18) Kolben (13) in Zylindern (7) zwischen unteren und oberen Totpunkten translatorisch hin- und herbewegt werden,20. Method for multi-stage compression of a gas with a membrane compressor according to one of the Claims 1 to 19, characterized in that by rotating an eccentric or camshaft (18) pistons (13) in cylinders (7) are moved back and forth between bottom and top dead centers,
dabei mit einer in den Zylindern (7) enthaltenen Flüssigkeit eine Druckdifferenz zu einer Kammer (8), die vom jeweiligen Zylinder (7) mittels einer Membran (5) getrennt ist, erzeugt wird;a pressure difference to a chamber (8), which is separated from the respective cylinder (7) by means of a membrane (5), is generated with a liquid contained in the cylinders (7);
infolge der Druckdifferenz bei Bewegung des Kolbens (13) und Bewegung der Membran (5) in Rich- tung auf den unteren Totpunkt Gas durch einenas a result of the pressure difference when the piston (13) moves and the membrane (5) moves towards the bottom dead center gas through a
Gaseinlass (9) in die Kammer (8) sowie Flüssigkeit über eine Zuleitung (24, 25, 26, 27) in die Zylinder (7) angesaugt undGas inlet (9) into the chamber (8) and liquid via a feed line (24, 25, 26, 27) sucked into the cylinder (7) and
infolge der Druckdifferenz bei Bewegung des Kolbens (13) , mit der in den Zylinder (7) angesaugten Flüssigkeit und Bewegung der Membran (5) in Richtung auf den oberen Totpunkt das Gas in der Kammer (8) komprimiert, aus ihr verdrängt und komprimiert zu einer nachfolgenden Verdichterstufe (2, 3, 4) oder in einen Gasspeicher geführt wird,due to the pressure difference when the piston (13) moves, with the liquid sucked into the cylinder (7) and the movement of the membrane (5) towards the top dead center, the gas in the chamber (8) is compressed, displaced from it and compressed a subsequent compressor stage (2, 3, 4) or into a gas storage,
wobei ein Rückströmen von Gas und Flüssigkeit mittels Rückschlagventilen (28, 33) verhindert und komprimiertes Gas durch das Ventil (34) der nachfolgenden Verdichterstufe oder einem Gasspeicher zugeführt wird. backflow of gas and liquid is prevented by means of check valves (28, 33) and compressed gas is supplied through the valve (34) to the subsequent compressor stage or to a gas storage.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass den Zylindern (7) der Verdichterstufen für den Verdichtungstakt Flüssigkeit im Überschuss zugeführt wird.21. The method according to claim 20, characterized in that the cylinders (7) of the compressor stages for the compression stroke liquid is supplied in excess.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einem Zylinder (7) einer Verdichterstufe bei Bewegung des Kolbens (13) zum unteren Totpunkt mit einer Förderpumpe (16) eine dosierte Flüssigkeitsmenge zugeführt wird.22. The method according to claim 21, characterized in that at least one cylinder (7) of a compressor stage upon movement of the piston (13) to bottom dead center with a feed pump (16) is fed a metered amount of liquid.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass komprimiertes Gas zwischen einzelnen Verdichtungsstufen und/oder nach der letzten Verdichtungsstufe gekühlt wird. 23. The method according to any one of claims 1 to 22, characterized in that compressed gas is cooled between individual compression stages and / or after the last compression stage.
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