阅读说明：本技术 用于操作活塞式压缩机的方法及活塞式压缩机 (Method for operating a piston compressor and piston compressor ) 是由 萨沙·多尔纳 克里斯托弗·纳格尔 约翰尼斯·弗里策 克劳斯·费舍尔 于 2018-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于操作在气缸(110)中具有往复活塞(111)的活塞式压缩机(100)的方法,其中在气缸(110)中在待压缩和输送的介质(b)的侧设置入口阀(112)和出口阀(113),其中通过在第一容积(141)中使用液压介质(a),往复活塞(111)借助于具有液压活塞(120)的液压驱动器(120,121)来回移动,由此,往复活塞(111)被负载在液压驱动器(120,121)的侧上,其中如果需要,则将液压介质(a)以一定方式馈送到第一容积(141)中和/或从第一容积(141)排出,该方式依赖于液压活塞(120)的位置和/或被设置用于使该液压活塞(120)相对于往复活塞(120)的位置(x)移动的轴(121)的旋转角<Image he="76" wi="121" file="DDA0002501920830000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>和/或该第一容积(141)中的压力(p),并且本发明涉及该类型的活塞式压缩机(100)。(The invention relates to a method for operating a piston compressor (100) having a reciprocating piston (111) in a cylinder (110), wherein an inlet valve (112) and an outlet valve (113) are provided in the cylinder (110) on the side of a medium (b) to be compressed and conveyed, wherein by using a hydraulic medium (a) in a first volume (141), the reciprocating piston (111) is moved back and forth by means of a hydraulic drive (120, 121) having a hydraulic piston (120), whereby the reciprocating piston (111) is loaded on the side of the hydraulic drive (120, 121), wherein if required, the hydraulic medium (a) is fed into the first volume (141) and/or discharged from the first volume (141) in a manner that depends on the position and/or is provided of the hydraulic piston (120)A rotation angle of a shaft (121) for moving the hydraulic piston (120) relative to the position (x) of the reciprocating piston (120) And/or the pressure (p) in the first volume (141), and to a piston compressor (100) of this type.)

用于操作活塞式压缩机的方法及活塞式压缩机

背景技术

本发明涉及用于操作活塞式压缩机的方法并涉及活塞式压缩机。

压缩机尤其用于压缩气态介质。常规活塞式压缩机的效率非常强烈地受到上止点中的残余容积或死空间的存在的影响。该区域中的气体或介质导致在吸入循环中可能的再膨胀和流入的输送容积的减少。为了补偿部件的制造公差和热膨胀并随后避免压缩机中的往复活塞与气缸盖的机械接触，该区域是不可避免的。用于吸入阀和压力阀(即，入口阀和出口阀)的通道增大了这种负面效应。

减少该死空间减少了剩余介质的再膨胀，并因而增加了输送容积或压缩过程的效率。所谓的离子压缩机-特别是活塞式压缩机-一方面以液压方式操作，另一方面压缩由介质或气体与液体润滑剂(即，离子流体)组成的两相混合物，该混合物不能蒸发，因此可以通过简单的沉积过程再次完全分离。此类离子压缩机的优点在于，通过在压缩室中使用液相，可以将气缸中的死空间减到最小，从而优化压缩过程的效率。

不利的是，由于类似于液体撞击的特性，导致附加的部件负载，并因而导致增加的声发射。此外，在液压驱动的压缩概念中，由于液压回路中的内部渗漏，如果有必要，则必须控制并补偿注油量。该主要问题是由往复活塞的反向点中的机械接触以及因而增加的部件负载和噪声发射引起的，这些机械接触以及部件负载和噪声发射被认为是有问题的一特别是在安装在居民区附近的情况下-并且需要附加的隔音。

例如，从汽车组件的领域已知阻尼的概念，特别是就减震器而言。在这种情况下，动能以振动的形式耗散。除了减少车辆的不期望的波动或振荡之外，这还使得能够减小部件负载和声发射。

在这种背景下，所提出的目的是提供一种改善活塞式压缩机的操作的可能性，特别是相对于部件负载和声发射而言。

发明内容

本发明目的通过具有独立权利要求的特征的用于操作活塞式压缩机的方法和压缩机来实现。优选的实施方案是从属权利要求的主题和以下描述。

发明优点

本发明涉及一种用于操作在气缸中具有往复活塞的活塞式压缩机的方法，其中在气缸中在待压缩和输送的介质的侧(即，在气缸盖中)设置入口阀和出口阀(或吸入阀和压力阀)。利用包括液压活塞的液压驱动器，往复活塞通过在第一容积中使用液压介质来回(或上下)移动，由此，该往复活塞被负载在液压驱动器的侧上。

该液压活塞在气缸中在两个反向点-所谓的下止点(BDC)和所谓的上止点(TDC)-之间振荡。当沿上止点方向移动时，气缸或气缸盖中存在的介质被压缩，然后通过出口阀排出；当沿下止点方向移动时，介质通过入口阀抽入。

原则上，在这种情况下，该往复活塞将与液压活塞同步移动。然而，由于液压介质的回路(即，所提及的第一容积)中的渗漏效应，可能发生的是，该往复活塞不再与液压活塞同步移动。这意味着，例如，在下止点，该往复活塞撞击气缸底部，而该液压活塞进一步向下移动。这在第一容积或液压回路中产生负压。该往复活塞还可能在液压活塞进一步向上移动的同时撞击气缸盖。这在第一容积或液压回路中产生过压。

现在规定，在需要时，将液压介质以一种方式馈送到第一容积中和/或从第一容积排出，该方式依赖于液压活塞的位置和/或被设置用于使液压活塞相对于往复活塞的位置移动的轴的旋转角和/或第一容积中的压力。在该过程中，可以使用一个或多个合适的测量装置来确定相应的变量。

液压活塞的位置和被设置用于使液压活塞移动的轴的旋转角联系到彼此，并且指示液压驱动器的当前位置。该往复活塞的位置和第一容积中的压力也联系到彼此，因为当往复活塞撞入气缸时，压力上升或下降。如果现在确定这些变量，则可以将它们彼此相关地设置，使得可以检测是否发生往复活塞的撞击，或者如果适用，则可以检测是否即将发生往复活塞的此类撞击。因此，然后可以将液压介质馈送到第一容积中或从第一容积排出。

因此，当液压活塞在下止点撞击气缸底部时或在此之前，可以通过供应液压介质来抵消在第一容积或液压回路中发生的负压。因此，可以减少或甚至防止撞击，这引起声发射和部件负载的减少。

因此，可以通过排出液压介质来减少甚至防止对上止点的撞击，这同样引起声发射和部件负载的减少。为此，可以设置合适的阀，这些阀被对应地致动，即，打开或关闭。针对此类阀的更详细的描述，此时参照活塞式压缩机的描述或附图的描述。

优选地，在液压阻尼单元使用液压介质并形成至少部分地由往复活塞界定的第二容积的情况下，必要时限制该往复活塞在液压驱动器侧上的移动。此类阻尼单元不仅可以用于进一步阻止往复活塞的移动，而且可以用于调节压缩比。

为此，第二容积优选地连接至第一容积，以便减少要通过活塞式压缩机输送的介质的量。这伴有气缸盖中死空间的增加。为此，将多余的液压介质(因此，以便减少第二容积中的液压介质)从第一容积排出到贮存器中。而且优选的是，第一容积连接至用于液压介质的贮存器，以便增加通过活塞式压缩机输送的介质的量。这伴有气缸盖中死空间的减少。在这种情况下，从贮存器供应所需的液压介质(因此，以便增加第二容积中的液压介质的量或装满第二容积)。

因此，当需要时，可以用更多或更少液压介质填充第二容积。由于往复活塞在下止点方向上(因此，在液压驱动器方向上)的移动可以通过第二容积中的液压介质来限制，因此可以改变在气缸盖或上止点处可用于压缩的容积。因此，可以改变压缩比。

有利地，具有至少两个往复活塞和对应的气缸的多级活塞式压缩机被用作活塞式压缩机。然而，这些往复活塞在对应的气缸中的移动仍然可以利用一个液压驱动器并且然后利用对应数量的此类第一容积进行。当然，然后还可以设置对应数量的此类阻尼单元。然后根据情况，可以将各个气缸例如串联或星形地布置。然后以使得将从气缸排出的介质供应到另一个气缸并在那里进一步压缩的方式进行压缩。

特别优选地是，将离子流体用作操作流体。就这一点而言，压缩机还被称为所谓的离子压缩机。如上所述，此类离子压缩机提供优点，诸如死容积减小。通过这里提出的液压介质的供应或排出，现在还可以减少声发射或部件磨损的剩余缺点。

本发明还涉及一种在气缸中具有往复活塞的活塞式压缩机，其中在气缸中在待压缩和输送的介质的侧上设置入口阀和出口阀。此外，该活塞式压缩机具有带液压活塞的液压驱动器，通过该液压驱动器，该往复活塞可以通过在第一容积中使用液压介质来回移动，由此，可以将往复活塞负载在液压驱动器侧上。在这种情况下，设置至少一个测量装置，通过该至少一个测量装置，可以确定液压活塞的位置和/或被设置用于使液压活塞移动的轴的旋转角，以及往复活塞的位置和/或第一容积中的压力。活塞式压缩机现在被构造成在需要时将液压介质以一定方式馈送到第一容积中和/或从第一容积排出，该方式依赖于液压活塞的位置和/或被设置用于使液压活塞相对于往复活塞的位置移动的轴的旋转角和/或第一容积中的压力。

优选地，活塞式压缩机还包括液压阻尼单元，通过该液压阻尼单元，使用液压介质并形成至少部分地由往复活塞界定的第二容积，可以在需要时限制往复活塞在液压驱动器侧上的移动。在这种情况下，有利地设置有第一阀和第二阀，第二容积可以通过第一阀连接至第一容积，液压介质可以通过第二阀从第一容积排出到用于液压介质的贮存器中。因此，可以减少通过活塞式压缩机输送的介质的量。而且优选的是，设置第三阀，第一容积可以通过第三阀连接至用于液压介质的贮存器。因此，可以将液压介质供应到第一容积。该第三阀优选地还可以以一定方式来设计，该方式使得如果在第一容积侧上存在比贮存器侧上更低的压力，则可以将液压介质从贮存器自动地供应到第一容积。为此，第三阀可以被设计为例如止回阀。

活塞式压缩机有利地被设计为具有至少两个往复活塞和对应气缸的多级活塞式压缩机。权宜地，在活塞式压缩机中设置离子流体，作为操作流体。

关于详细说明以及根据本发明的活塞式压缩机的另外优选实施方案和优点，为了避免重复，参考上述说明，该说明关于根据本发明的方法在这里相应地适用，该方法参考活塞式压缩机进行说明。

本发明使用示例性实施方案在附图中示意性地表示，并且在下面参考附图进行描述。

附图说明

图1示意性地示出了优选的实施方案中的根据本发明的活塞式压缩机，该活塞式压缩机适于执行根据本发明的方法。

具体实施方式

图1示意性地示出了优选的实施方案中的根据本发明的活塞式压缩机100，该活塞式压缩机适于执行根据本发明的方法。

活塞式压缩机100(在所示形式中还称为往复活塞式压缩机)包括气缸110，往复活塞111可以在该气缸中来回或上下移动。原则上，此类活塞式压缩机可以是多级的，即，可以存在被示出为带有往复活塞111的若干个气缸110。因此，与带有往复活塞的气缸有关的以下描述于是也适用于带有往复活塞的另外气缸。

活塞式压缩机100由液压驱动器驱动，该液压驱动器在此包括液压活塞120。液压活塞120由带有轴121的转轮驱动(液压曲轴驱动)，该轴带有合适的连杆。如箭头指示的该轴121的旋转通过在第一容积141中使用液压介质a(液压油)而导致往复活塞110的上下移动，同样如箭头指示。往复活塞111在气缸110中在两个反向点(被称为下止点(BDC)和上止点(TDC))之间振荡。

轴旋转和往复活塞上下移动的频率可以在例如0.5Hz至12Hz之间(但是通常保持恒定)；往复活塞的行程可以例如在30mm至100mm之间。液压活塞的行程或行程容积通常也是恒定的。

因此，液压介质a在此被输送至往复活塞111的底侧。因此，往复活塞111向上移动并压缩所谓的气体缸114(即，气缸的上部区域)中的两相混合物。该两相混合物在此一方面包括待压缩和输送的介质b，另一方面包括离子操作流体。如果气缸110中的压力超过压力阀或出口阀113处的背压，则后者打开，并且将介质b近似等压地输送到压力区域中，直到到达上止点为止。

液压活塞120一向下移动，气缸110中的背压就下冲，并且出口阀113关闭。向下移动的往复活塞111减小气缸110中的压力，直到在吸入阀或入口阀112处施加的压力落到吸入区域中的水平以下为止。

存在的残余容积或死空间越少，入口阀112打开的就可以越早，抽入量与其成比例地增加。由于该系统，往复活塞111的位置可以偏离液压活塞120的行程位置。液压驱动器中的载有渗漏的压缩随后导致液压介质a被输送通过液压活塞120，首先进入贮存器130(或箱)。

从那里，液压介质可以经由泵131和热交换器132并且最后经由止回阀153输送回到液压回路或第一容积141，以便补偿液压活塞120与往复活塞111之间的位置偏差。

现在可以在本发明的范围内例如经由测量装置161(例如，位移测量系统)与测量装置160(例如，旋转角传感器)之间的数据比较来计算并校正所需的量。例如，虽然可以通过测量装置161确定往复活塞111的位置x，但可以用测量装置160确定轴121的旋转角此外，例如还可以通过合适的测量装置162来检测第一容积141中的压力p。

现在，通过在实际等压线延伸阶段结束时的过度压力增加来检测往复活塞111撞击气缸盖，由此，经由限压阀154将多余的液压介质输送回到贮存器130中。

通过流入阶段期间的压力下降来检测往复活塞111与活塞或气缸底部的机械接触。在这种情况下，经由止回阀153(在本发明的范围内还称为第三阀)抽吸或供应缺少量的液压介质，以便使往复活塞111移动到正常范围内。

因为例如现在以依赖于轴121的旋转角的方式在第一容积中进行压力测量，所以可以检测往复活塞111撞击气缸盖或气缸底部何时发生或即将发生，并且可以例如通过合适地致动阀153或154来排出或供应液压介质。

此外，设置阻尼单元140，通过该阻尼单元可以实现自适应的阻尼系统，而不论频率、活塞式压缩机中的压力比以及液压区域中的渗漏如何。该阻尼单元140可以用于阻止往复活塞111的向下移动，因此减少在沿下止点方向的移动期间的声音发射和机械负载。

如果经由液压系统中(即，在此为第一容积141中)的旋转角分辨压力测量来检测油路中(即，在此为第一容积141中)的渗漏，则可以对此进行补偿。此外，可以通过自适应阻尼系统调节上止点和下止点，因此调节介质的压缩比或输送量。为此，根据对所需量的需求或需要，供应额外的液压介质，或者将多余的液压介质排出或推回贮存器中。

如果要增加输送量或要减少现有的死空间，则关闭第一阀150。从而，即使液压活塞120向下方移动，也防止往复活塞111沿下止点的方向或液压驱动器的方向移动。从而，由于所得的负压，将所需量的液压介质经由止回阀153抽入回路或第一容积141中。当液压活塞120再次向上移动时，系统关闭，并且往复活塞111升高了限定的容积(通过额外输送量的液压介质)，因此，减少死空间，并且增加待压缩介质的输送量。

如果液压介质的量增加太多，并且往复活塞111处于与气缸盖碰撞的危险中，则可以打开第三阀155，并且可以减少填充量。

如果要减少输送量或要增加现有的死空间，则打开第一阀150，以便不影响往复活塞111的向下移动。同时，打开第二阀155，以便减少或排出限定量的液压介质，这由液压活塞120的向上移动形成。当到达往复活塞的所需位置时，可以再次关闭第一阀150。

如果这在液压活塞120到达下止点之前完成，则液压活塞经由止回阀153补充必要量的液压介质。

在控制回路中，通过重复迭代，可以使这些调节更接近所需的操作点。如果需要改变各个级的中间回路压力(因此，在多级活塞式压缩机的情况下)，则这可以按与刚刚描述的相同的方式进行。仅将压力用作控制变量，并在回路中与其他级一致。

如果已经设定操作点，则系统中的压力变化与往复活塞111的位置成正比。由于渗漏产生的、往复活塞111的位置x与轴121的旋转角关联的位置偏差可以通过用阻尼单元140阻止往复活塞111来发生；液压介质经由止回阀153来补充，并且补偿不正确的位置。

这种自适应阻尼系统使得可以相对于可用行程容积优化液压驱动的活塞式压缩机。使得可以根据系统的要求来改变活塞的行程并优化输送量、压力以及效率。

往复活塞与气缸盖之间的残余容积-所谓的死空间-在往复活塞的向下移动期间扩大，并且根据大小，影响正常弹簧驱动的吸入阀的打开时间。死空间越大，吸入阀打开的越晚，可以抽入的输送容积就越小。

这直接影响各个压缩机级的效率。因此，在特定操作范围内可能是必要的中间回路压力的适应与剩余级协调地进行。因此，利用所提出的方法或活塞式压缩机，可以在中间回路中实现关于所需的输送量和所施加的压力的大的可变性。

阻止往复活塞和优化行程的可能性使得可以永久性地降低机械负载，这在一方面导致了压缩机部件的可能使用寿命的增加，另一方面允许使用较低质量的材料，从而在原材料和生产成本方面提供了关于成本优化的更多余地。

所提及的效果伴有振动和噪声发射的降低，因此，相对于先前必要的阻尼措施，也可以实现节省，因此，使得例如居民区中的箱控制系统(其中例如，用此类活塞式压缩机压缩氢气)的操作更容易。

作为所述构造的结果，此类活塞式压缩机是非常可变的，从而即使相对于不同的操作介质、限值以及要求，也简化了模块化系统的应用，因此由于现在可能的各个部件的结构均匀性而允许更简单的批量生产，尽管应用不同。

将现有或已经交付的活塞式压缩机扩展为所提出的活塞式压缩机允许优化工作参数并提高效率。此外，可以延长现有的使用寿命并减少振动和声发射。

可以在日常维护过程中进行到现有系统(即，现有活塞式压缩机或其中的几个)中的集成。为此，可以另外附接位移测量系统和旋转角发射器(在所提及的测量装置的意义上)，并且可以通过必要的控制例程来扩展系统的自动化程序。

另一个实施方案在于实现膨胀器系统的可能性(与例如在汽车应用中使用的例如基于压电的可控吸入阀和压力阀结合)。此类膨胀器系统例如在需要较低压力水平的气体的分配系统中使用气体的膨胀中的膨胀功，从而可以基于能量回收系统用于动力生成。