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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen einen Fluidverdichter
und im Besonderen einen Verdichter mit verbesserten Ablassventilen.
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Viele
Hubverdichterzylinder nutzen eine Kolbenbaugruppe, die in einem
im Verdichtergehäuse gebildeten
Zylinder hin- und hergeht, wobei äußere Köpfe die Enden der Zylinder
verschließen.
In diesen Anordnungen weist die Kolbenbaugruppe oft ein Ablassventil
auf, das den Gasstrom durch seine Gehäusekonstruktion in den Zylinder
regelt und dann das Fluid verdichtet, bevor es das verdichtete Fluid
durch den Auslass ablässt.
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Dieser
Typ von Ventilbaugruppen nutzt ein Plattenventil, das sich als Reaktion
auf eine zwischen einer Seite des Ventils und der anderen Seite
erzeugte Druckdifferenz von einem Ventilsitz „abhebt", um das Durchströmen der Baugruppe zuzulassen.
Dieser Durchflussquerschnitt durch die Ventilbaugruppe ist aber
oft in seiner Größe begrenzt,
was die Leistungsfähigkeit
des Verdichters beeinträchtigt.
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Daher
wird ein Verdichter des obigen Typs benötigt, demgemäß die Ventilbaugruppen
einen relativ großen
Durchflussquerschnitt haben und der Verdichter daher eine größere Leistungsfähigkeit
hat.
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Beispiele
für bekannte
Hubverdichterzylinder werden in
US
454875 und
EP
A 0576133 offenbart.
US
454875 offenbart ein senkrecht öffendes Gitter-Absperrorgan,
das einen Kolben umfasst, der zur Hin- und Herbewegung in einem Zylinder zwischen Rückschlagventilbaugruppen,
die jedes Ende des Zylinders verschließen, an einer Stange montiert
ist. Der Kolben weist ein Plattenventil auf, wie oben erwähnt. Sämtliches
durch den Zylinder hindurchströmendes
Fluid strömt
nacheinander durch jedes der Ventile hindurch.
EP-A-0576133 offenbart einen Gasverdichter,
der vier Einweg-Ventilanordnungen umfasst, die eine gestufte Zweistufengasverdichtung bereitstellen.
An Kolbenstangen montierte Ventilanordnungen bewegen sich in einem
Zylinder bin und her, um Gas zu verdichten, während es sich durch die Ventilanordnungen
von einem Teil des Verdichterzylinders zum nächsten hindurchbewegt. Auch
hier strömt
sämtliches
durch den Zylinder hindurchströmendes
Gas durch jede der Ventilanordnungen hindurch.
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Nach
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Fluidverdichter
vorgesehen, der Folgendes umfasst:
ein Gehäuseelement, das einen Einlass
und einen Auslass hat und eine Innenbohrung definiert,
eine
Kolbenbaugruppe, die in der Bohrung angeordnet ist und die Bohrung
in einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt teilt,
wobei
die Kolbenbaugruppe eine in der Bohrung angeordnete erste Ventilbaugruppe
und eine in der Bohrung in einer axial beabstandeten Beziehung zur ersten
Ventilbaugruppe angeordnete zweite Ventilbaugruppe umfasst,
Mittel
zum Hin- und Herbewegen der Ventilbaugruppen in der Bohrung, so
dass sie in einer ersten Richtung in der Bohrung bewegt werden können, um
Fluid aus dem Einlass in den ersten Abschnitt der Bohrung zu ziehen,
und in einer zweiten Richtung in der Bohrung bewegt werden können, um
den Fluiddruck im ersten Bohrungsabschnitt zu erhöhen,
wobei
die erste Ventilbaugruppe auf einen auf sie wirkenden vorbestimmten
Fluiddruck reagiert, um das Strömen
von Fluid durch die erste Ventilbaugruppe und zur zweiten Ventilbaugruppe
zuzulassen,
wobei die zweite Ventilbaugruppe auf Fluid reagiert, das
einen vorbestimmten Fluiddruck auf sie ausübt, um das Strömen von
Fluid durch die zweite Ventilbaugruppe und zum zweiten Bohrungsabschnitt
zum Hindurchströmen
zum Auslass zuzulassen,
dadurch gekennzeichnet, dass:
ein
erster Teil des Fluids im ersten Bohrungsabschnitt zur ersten Ventilbaugruppe
geleitet wird und ein zweiter Teil des Fluids im ersten Bohrungsabschnitt
direkt in die zweite Ventilbaugruppe geleitet wird und
die
zweite Ventilbaugruppe einen Bypass-Durchgang zum Aufnehmen des
ersten Fluidteils von der ersten Ventilbaugruppe und zum Weiterleiten
des ersten Fluidteils zum zweiten Bohrungsabschnitt zum Hindurchströmen zum
Auslass definiert.
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Nach
einem zweiten Aspekt der zweiten Erfindung ist ein Verfahren zum
Verdichten eines Fluids vorgesehen, umfassend:
Hin- und Herbewegen
einer Kolbenbaugruppe, die eine erste und eine zweite Ventilbaugruppe
in einer Bohrung umfasst,
Ziehen von Fluid durch einen Einlass
und in einen ersten Abschnitt der Bohrung als Reaktion auf Bewegung
der Ventilbaugruppen in einer ersten Richtung in der Bohrung,
Leiten
eines ersten Teils des Fluids vom ersten Bohrungsabschnitt zur ersten
Ventilbaugruppe,
Leiten eines zweiten Teils des Fluids vom
ersten Bohrungsabschnitt direkt in die zweite Ventilbaugruppe,
Erhöhen des
Drucks im ersten Bohrungsabschnitt als Reaktion auf Bewegung der
Ventilbaugruppen in einer zweiten Richtung,
Zulassen des Strömen von
Fluid durch die erste Ventilbaugruppe und zur zweiten Ventilbaugruppe
als Reaktion auf einen auf die erste Ventilbaugruppe wirkenden vorbestimmten
Fluiddruck, wobei der erste Fluidteil die zweite Ventilbaugruppe
umgeht und zu einem Auslass durchströmt, und
Zulassen des Strömen des
zweiten Teils des Fluids durch die zweite Ventilbaugruppe und zum
Auslass als Reaktion auf einen auf die zweite Ventilbaugruppe wirkenden
vorbestimmten Fluiddruck.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine teilweise im Schnitt, teilweise als Aufriss dargestellte Ansicht
eines Fluidverdichters gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine vergrößerte Schnittansicht
der Kolbenbaugruppen des Verdichters von 1.
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3 ist
eine auseinandergezogene, isometrische Darstellung einer außenliegenden
Ventilbaugruppe, die in einer Kolbenbaugruppe von 2 verwendet
wird.
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4 ist
eine auseinandergezogene, isometrische Darstellung einer innenliegenden
Ventilbaugruppe, die in einer Kolbenbaugruppe von 2 verwendet
wird.
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5a–5h sind
schematische Darstellungen, die den Betrieb des Verdichters von 1 abbilden.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die
Bezugsnummer 10, Bezug nehmend auf 1 der Zeichnungen,
betrifft im Allgemeinen einen Verdichter zum Verdichten eines Fluids,
wie z. B. Gas, gemäß einer
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Der Verdichter 10 weist
ein zylindrisches Gehäuse 12 auf,
das eine innere zylindrische Bohrung 14 und einen radial
verlaufenden Auslass 15 definiert, der sich mit der Bohrung 14 deckt.
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An
einem Ende des Gehäuse 12 ist
ein äußerer Kopf 16 ausgebildet
und am anderen Ende des Gehäuses
ist ein Rahmenkopf 18 montiert. Durch den Kopf 16 ist
eine Mehrzahl von Einlasskammern ausgebildet, von denen zwei in 1 gezeigt
werden und mit den Bezugsnummern 16a und 16b bezeichnet
sind. Die Einlasskammern 16a und 16b sowie die anderen
Einlasskammern im Kopf 16 sind miteinander verbunden und
stehen in Fluidkommunikation mit einer Einlassleitung 20,
die an dem Gehäuseelement 12 ausgebildet
ist.
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Der
Kopf 18 ist mit dem Kopf 16 identisch und weist
von daher mehrere darin ausgebildeter Einlasskammern auf, von denen
in 1 zwei gezeigt werden und mit den Bezugsnummern 18a und 18b bezeichnet
sind. Die Einlasskammern 18a und 18b sowie die
anderen Einlasskammern im Kopf 18 sind miteinander verbunden
und stehen in Fluidkommunikation mit einer Einlassleitung 22,
die an dem Gehäuseelement 12 ausgebildet
ist.
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Die
Einlassleitungen 20 und 22 sind zum Aufnehmen
eines zu verdichtenden Fluids wie einem Gas ausgeführt und
leiten das Gas in die Köpfe 16 und 18 zum
Ablassen in die Bohrung 14, wie mit den Pfeilen in 1 gezeigt
wird.
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Eine
Antriebsstange 24 verläuft
durch die Mitte des Kopfes 18 und in die Bohrung 14 und
ist zur Hin- und Herbewegung in einer Stopfbüchsenbaugruppe 26 gelagert,
die in eine im Kopf 18 gebildete Kammer 26 eingebaut
ist. Die Stopfbüchsenbaugruppe 26 funktioniert
in einer konventionellen Weise zum Abdichten gegen das Austreten
von verdichtetem Gas an der Stange 24 vorbei. Ein Endabschnitt
der Stange 24 steht am der Bohrung 14 und durch
einen an der Stirnfläche
des Kopfes 18 montierten Ring 27 hindurch vor
und es versteht sich, obwohl dies in den Zeichnungen nicht gezeigt
wird, dass sie mit einer konventionellen Antriebsmaschine zum Hin-
und Herbewegen der Stange, wie von dem doppelköpfigen Pfeil gezeigt, in einer
Richtung von rechts nach links und von links nach rechts, wie in 1 gesehen,
verbunden ist.
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Eine
außenliegende
Kolbenbaugruppe 30 und eine innenliegende Kolbenbaugruppe 32 sind
in voneinander beabstandeter Beziehung in der Bohrung 14 angeordnet.
Die Stange verläuft
durch zentrale Öffnungen
in den Kolbenbaugruppen 30 und 32 und eine Gegenmutter 34 ist
an der außenliegenden Stirnfläche der
Kolbenbaugruppe 30 in Anlage und auf konventionelle Weise,
z. B. durch mehrere Schrauben oder dergleichen, mit dem anderen
Ende der Stange 24 verbunden. Bin rohrförmiges Distanzstück 36 verläuft zwischen
den Kolbenbaugruppen 30 und 32 und ist auf eine
Weise, die im Folgenden noch beschrieben wird, damit verbunden.
Wenn die oben erwähnte
Hin- und Herbewegung der Stange 24 mitgeteilt wird, bewegen
sich die Kolbenbaugruppen 30 und 32 daher mit
der Stange 24 in der Bohrung 14 hin und her und
haben die Aufgabe, Gas in die Bohrung 14 zu ziehen und
das Gas zu verdichten, bevor das Gas auf eine Weise, die im Folgenden
noch beschrieben wird, durch den Auslass 15 abgelassen wird.
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Wie
in 2 gezeigt, besteht die außenliegende Kolbenbaugruppe 30 aus
einer außenliegenden
Ventilbaugruppe 40 und einer innenliegenden Ventilbaugruppe 42,
die in einer aneinander anliegenden Beziehung angeordnet sind. Die
Gegenmutter 34 ist an der außenliegenden Stirnfläche der
außenliegenden
Ventilbaugruppe 40 in Anlage, die innenliegende Stirnfläche der
außenliegenden
Ventilbaugruppe ist an der außenliegenden
Stirnfläche
der innenliegenden Ventilbaugruppe 42 in Anlage und die
innenliegenden Stirnfläche
der innenliegenden Ventilbaugruppe ist mit dem Distanzstück 36 verbunden.
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Die
außenliegende
Ventilbaugruppe 40 wird in den 2 und 3 im
Detail gezeigt und besteht aus einem ringförmigen Ventilsitz 46,
der einen Außendurchmesser
hat, der kleiner ist als der Durchmesser der inneren Wand des die
Bohrung 14 definierenden Gehäuseelements 12. Von
der außenliegenden
Stirnfläche
des Ventilsitzes verlaufen mehrere voneinander beabstandete Bohrungen 46a (2)
zu mehreren winklig und radial voneinander beabstandeten Schlitzen 46b (3),
die in der innenliegenden Stirnfläche des Sitzes ausgebildet sind.
Ein ringförmiger
Anschlag 46c mit verringertem Durchmesser erstreckt sich
von der innenliegenden Stirnfläche
des Sitzes 46 und durch den Sitz 46 ist eine relativ
große
zentrale Öffnung 46d zum
Aufnehmen der Stange 24 (2) ausgebildet.
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Eine
ringförmige
Ventilplatte 48 mit einem Durchmesser, der geringfügig kleiner
ist als der Durchmesser des Ventilsitzes 46, ist bereitgestellt und
hat eine Mehrzahl von winklig und radial voneinander beabstandeten,
bogenförmigen
Schlitzen 48a, die durch sie hindurch ausgebildet sind.
Durch die Ventilplatte 48 ist eine relativ große zentrale Öffnung 48b zum
Aufnehmen der Stange 24 (2) ausgebildet.
Die Ventilplatte 48 ist so ausgeführt, dass sie sich in der Bohrung 14 relativ
zum Ventilsitz 46 zwischen einer ersten Position, in welcher
sie mit der innenliegenden Stirnfläche des Ventilsitzes 46 in
Eingriff ist, und einer zweiten Position, in welcher sie vom Sitz
beabstandet ist, axial bewegt. In der ersten Position blockiert
der nichtgeschlitzte Teil der Ventilplatte 48 die Schlitze 46b des
Ventilsitzes 46, um den Gasstrom durch den Ventilsitz zu
verhindern, und in der zweiten Position kann Gas durch die Schlitze 46b und
durch die Schlitze 48a der Ventilplatte strömen.
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Eine
ringförmige
Dämpferplatte 50 ist
neben der Ventilplatte 48 angeordnet, hat etwa den gleichen Durchmesser
wie die Ventilplatte und hat die Aufgabe, die Bewegung der Ventilplatte
unter im Folgenden noch zu beschreibenden Bedingungen zu verlangsamen,
um durch Stoßträgheit verursachte Schäden zu verhindern.
Zu diesem Zweck ist die Masse der Dämpferplatte 50 normalerweise
größer als
die der Ventilplatte 48, so dass die Platte 50 die Bewegung
der Platte 48 unter im Folgenden noch zu beschreibenden
Bedingungen dämpft.
Mehrere winklig und radial voneinander beabstandete, bogenförmige Schlitze 50a verlaufen
durch die Platte 50 und fluchten mit den Schlitzen 48a der
Platte 48. In der Platte 50 sind aus im Folgenden
noch zu beschreibenden Gründen
auch sechs winklig voneinander beabstandete durchgehende Öffnungen 50b bereitgestellt
und durch die Platte 50 ist eine relativ große zentrale Öffnung 50c zum
Aufnehmen der Stange 24 (2) ausgebildet.
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Neben
der Dämpferplatte 50 ist
ein Ventilschutz 52 angeordnet und hat die Aufgabe, ebenfalls unter
im Folgenden noch zu beschreibenden Bedingungen einen zwangschlüssigen Anschlagpunkt
für die
Dämpferplatte 50 bereitzustellen.
Der Ventilschutz 52 besteht aus einem Gehäuse 54 mit
einem kegeligen oder trichterförmigen
Querschnitt. Im Gehäuse 54 ist
eine Platte 56 angeordnet und hat mehrere durchgehende Öffnungen 56a und
eine relativ große
zentrale durchgehende Öffnung 56b zum
Aufnehmen der Stange 24. Wie in 2 gezeigt
wird, umgibt der außenliegende
Endteil des Gehäuses 54 die äußeren Umfangsteile
der Ventilplatte 48 und der Dämpferplatte 50.
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Ein
Endteil einer Feder 58 verläuft in eine Aussparung oder
dergleichen (nicht gezeigt), die in der außenliegenden Stirnfläche des
Ventilschutzes 52 gebildet ist. Die Feder 58 verläuft durch
eine Öffnung 50b in
der Dämpferplatte 50 und
ihr anderes Ende ist mit der innenliegenden Stirnfläche der
Ventilplatte 48 in Eingriff. Es ist zwar nur eine Feder 58 abgebildet,
es versteht sich aber, dass fünf
andere Federn vorgesehen sind, die mit der Feder 58 identisch
sind und die durch die jeweiligen übrigen fünf Öffnungen 50b in der
Platte 50 verlaufen. Die Federn 58 haben die Aufgabe,
die Ventilplatte 48 mit dem Ventilsitz 46 in Eingriff
zu drängen,
bis sie durch die Fluiddruckdifferenz vom Sitz weggedrückt wird,
wie im Folgenden noch beschrieben wird.
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Ein
Ende einer Feder 60 verläuft auch in eine Aussparung
oder dergleichen (nicht gezeigt), die in der außenliegenden Stirnfläche des
Ventilschutzes 52 gebildet ist, und ihr anderes Ende ist
mit der innenliegenden Stirnfläche
der Dämpferplatte 50 in Eingriff.
Die Feder 60 hat die Aufgabe, die Dämpferplatte 50 mit
dem Anschlag 46c in Eingriff und in eine geringfügig beabstandete
Beziehung zur Ventilplatte 48 zu drängen, bis sie durch die Fluiddruckdifferenz vom
Anschlag weggedrückt
wird. In der Zeichnung wird zwar nur eine Feder 60 gezeigt,
es versteht sich aber, dass zusätzliche
Federn bereitgestellt sein können,
die mit der Feder 60 identisch sind und auf die gleiche
Weise funktionieren.
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Die
Federn 58 und 60 spannen die Ventilplatte 48 normalerweise
am Ventilsitz 46 bzw. die Dämpferplatte 50 am
Anschlag 46c auf eine dichtende Position vor.
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Ein
Ausrichtungsstift 62 verläuft durch entsprechende fluchtende Öffnungen
in der Ventilplatte 48 und der Dämpferplatte 50, um
die richtige Winkelausrichtung der Platten aufrecht zu erhalten.
Zwei Kopfschrauben 64a und 64b verlaufen durch
fluchtende Öffnungen
im Ventilsitz 46, durch die mittleren Öffnungen 48b und 50c in
den Platten 48 bzw. 50 und sind in Gewindebohrungen
im Ventilschutz 52 in Eingriff, um die Ventilbaugruppe 40 in
ihrem in 2 gezeigten zusammengebauten
Zustand zu halten.
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Die
innenliegende Ventilbaugruppe 42 wird in 2 und 4 im
Detail gezeigt und besteht aus einem ringförmigen Ventilsitz 66,
der einen Außendurchmesser
hat, der geringfügig
kleiner als der Durchmesser der inneren Wand des Gehäuseelements 12 (1)
ist, das die Bohrung 14 definiert. Mehrere voneinander
beabstandete Bohrungen 66a (2) verlaufen
von der außenliegenden
Stirnfläche
des Ventilsitzes 66 zu mehreren radial voneinander beabstandeten
Schlitzen 66b (3), die in der innenliegenden
Stirnfläche
des Sitzes ausgebildet sind. Mehrere winklig voneinander beabstandete Ausnehmungen 66c sind
durch den Sitz 66 hindurch gebildet und ein ringförmiger Anschlag 66d mit
verringertem Durchmesser springt von der innenliegenden Stirnfläche des
Ventilsitzes 66 vor.
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In
der Außenseite
des Sitzes 66 sind mehrere Umfangsrillen 66e ausgebildet
und nehmen eine entsprechende Zahl von Dichtungsringen 67 auf,
die mit der Innenwand des Gehäuseelements,
das die Bohrung 14 definiert, in Eingriff kommen, um eine
Abdichtung gegen den Strom von verdichtetem Gas aus der Bohrung
zu bilden. Durch den Sitz 46 ist eine relativ große zentrale Öffnung 66f zum
Aufnehmen der Stange 24 (2) ausgebildet.
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Eine
ringförmige
Ventilplatte 68 ist bereitgestellt und hat mehrere winklig
und radial voneinander beabstandete, bogenförmige Schlitze 68a,
die durch sie verlaufen. Die Ventilplatte 68 ist so ausgeführt, dass sie
sich in der Bohrung 14 zwischen einer ersten Position,
in welcher sie mit der innenliegenden Stirnfläche des Ventilsitzes 66 in
Eingriff ist, wobei der nichtgeschlitzte Teil der Platte 48 die
Schlitze 66b des Ventilsitzes blockieren, und einer zweiten
Position, in welcher sie vom Sitz beabstandet ist, um Gas durch
die Schlitze im Ventilsitz und die Schlitze 68a der Ventilplatte
strömen
zu lassen, bewegt. Mehrere winklig voneinander beabstandete Ausnehmungen 68b sind
durch die Platte 68 hindurch gebildet und durch die Platte 68 ist
eine relativ große
zentrale Öffnung 68c zum
Aufnehmen der Stange 24 (2) ausgebildet.
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Neben
der Ventilplatte 68 ist eine ringförmige Dämpferplatte 70 angeordnet
und hat die Aufgabe, die Ventilplatte unter im Folgenden noch zu
beschreibenden Bedingungen zu verlangsamen, um durch Stoßträgheit verursachte
Schäden
zu verhindern. Zu diesem Zweck ist die Masse der Dämpferplatte 70 größer als
die der Ventilplatte 68, so dass die Platte 70 die
Bewegung der Platte 68 dampft. Durch die Platte 70 verlaufen
mehrere winklig und radial voneinander beabstandete, bogenförmige Schlitze 70a und
mehrere winklig voneinander beabstandete Ausnehmungen 70b.
Die Schlitze 70a decken sich mit den Schlitzen 68a der
Ventilplatte 68 und die Ausnehmungen 70b decken
sich mit den Ausnehmungen 68b der Ventilplatte 68.
Durch die Platte 70 sind aus im Folgenden noch zu beschreibenden
Gründen sechs
winklig voneinander beabstandete Öffnungen 70c bereitgestellt
und durch die Platte 70 ist eine relativ große zentrale Öffnung 70d zum
Aufnehmen der Stange 24 (2) ausgebildet.
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Neben
der Dämpferplatte 70 ist
eine ringförmige
Schutzplatte 72 angeordnet und hat die Aufgabe, ebenfalls
unter im Folgenden noch zu beschreibenden Bedingungen einen zwangschlüssigen Anschlagpunkt
für die
Dämpferplatte 70 bereitzustellen. Mehrere
winklig beabstandete Ausnehmungen 72a verlaufen durch die
Schutzplatte 72 und decken sich mit den Ausnehmungen 70b der
Dämpferplatte 70 und
durch die Schutzplatte 72 ist eine relativ große zentrale Öffnung 72b zum
Aufnehmen der Stange 24 (2) ausgebildet.
Die Platte 72 hat aus im Folgenden noch zu beschreibenden
Gründen
auch mehrere relativ kleine durchgehende Öffnungen 72c.
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Ein
Endteil einer Feder 74 verläuft in eine Aussparung oder
dergleichen (nicht gezeigt), die in der außenliegenden Stirnfläche der
Schutzplatte 72 gebildet ist. Die Feder 74 verläuft durch
eine Öffnung 70c in
der Dämpferplatte 70 und
ihr anderes Ende ist mit der innenliegenden Stirnfläche der
Ventilplatte 68 in Eingriff Es ist zwar nur eine Feder 74 abgebildet,
es versteht sich aber, dass fünf
andere Federn vorgesehen sind, die mit der Feder 74 identisch
sind und die durch die jeweiligen übrigen fünf Öffnungen 70c verlaufen.
Die Federn 74 haben die Aufgabe, die Ventilplatte 68 mit
dem Ventilsitz 66 in Eingriff zu drängen, bis sie durch die Fluiddruckdifferenz
vom Sitz weggedrückt
wird, wie im Folgenden noch beschrieben wird.
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Ein
Ende einer Feder 76 verlauft auch in eine Aussparung oder
dergleichen (nicht gezeigt), die in der außenliegenden Stirnfläche des
Ventilschutzes 72 gebildet ist, und ihr anderes Ende ist
mit der innenliegenden Stirnfläche
der Dämpferplatte 70 in Eingriff,
um die Dämpferplatte
mit dem Anschlag 66d in Eingriff zu drangen, bis sie durch
die Fluiddruckdifferenz weggedrückt
wird. In der Zeichnung wird zwar nur eine Feder 76 gezeigt,
es versteht sich aber, dass zusätzliche
Federn bereitgestellt sein können,
die mit den Federn 74 und 76 identisch sind und
auf die gleiche Weise funktionieren.
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Ein
Ausrichtungsstift 78 verläuft durch entsprechende fluchtende Öffnungen
in der Dämpferplatte 70 und
der Ventilplatte 68, um die richtige Winkelausrichtung
der Platten aufrecht zu erhalten. Zwei Kopfschrauben 80a und 80b verlaufen
durch fluchtende Öffnungen
im Ventilsitz 66, durch die mittleren Öffnungen in den Platten 68 und 70,
durch den Ventilschutz 72 und sind in Gewindebohrungen
im Distanzstück 36 (2)
in Eingriff, um die Ventilbaugruppe 42 in ihrem in 2 gezeigten
zusammengebauten Zustand zu halten.
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Wie
in 2 gezeigt, ist der Außendurchmesser der Ventilbaugruppe 40 beträchtlich
kleiner als der Außendurchmesser
der Ventilbaugruppe 42 und der entsprechenden Innenwand
des Gehäuseelements 12,
das die Bohrung 14 definiert. Daher strömt etwas Gas unter im Folgenden
noch zu beschreibenden Bedingungen aus dem Kopf 16 um die Außenflächen der
Ventilbaugruppe 40 herum und direkt zur Ventilbaugruppe 42.
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Die
allgemeine Funktionsweise der Ventilbaugruppen 40 und 42 ist
wie folgt. Wenn Gas von der Einlassleitung 20 in den Kopf 16 eingelassen wird,
strömt
das Ventil durch die Einlasskammern im Kopf, einschließlich der
Kammern 16a und 16b, und in den außenliegenden
Endabschnitt der Bohrung 14 hinein. Wie in 1 besser
gezeigt wird, strömt
ein Teil dieses Gases um die Außenseite
der Ventilbaugruppe 40 der Kolbenbaugruppe 30 herum
und zur Ventilbaugruppe 42, die den Gasdurchfluss auf eine im
Folgenden noch zu beschreibende Weise regelt.
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Wie
in den 2 und 3 besser gezeigt wird, strömt der übrige Teil
des Gases durch die Bohrungen 46a und die Schlitze 46b im
Ventilsitz 46 und übt
Druck auf die außenliegende
Stirnfläche
der Ventilplatte 48 aus. Wenn dieser Druck den von den
Federn 58 auf die innenliegende Stirnfläche des Ventilsitzes 46 ausgeübten Druck übersteigt,
wird die Ventilplatte 48 von der Sitzfläche des Ventilsitzes 46 heruntergedrückt und
bewegt sich in einer Richtung von links nach rechts, wie in 2 gesehen,
bis sie auf die Dämpferplatte 50 trifft,
und beide Platten bewegen sich dann im Einklang über eine kurze Entfernung,
bis sie mit der Platte 56 des Ventilschutzes 52 in
Kontakt kommen.
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Dies
ermöglicht
das Hindurchströmen
von verdichtetem Gas durch die Öffnungen 46a und
die Schlitze 46b im Ventilsitz 46 und durch die
fluchtenden Schlitze 48a und 50a in der Ventilplatte 48 bzw. der
Dämpferplatte 50,
bevor es durch die Öffnungen 56a in
der Platte 56 strömt.
Das kegelige Gehäuse 54 des
Ventilschutzes hat die Aufgabe, das durch die Öffnungen 56a strömende Gas
in Richtung auf die Mitte oder Achse der Ventilbaugruppe 42 zu
lenken oder m richten, so dass das Gas durch die fluchtenden Ausnehmungen 66c, 68b, 70b und 72a (4) des
Ventilsitzes 66, der Ventilplatte 68, der Dämpferplatte 70 bzw.
der Schutzplatte 72 strömt,
bevor das Gas in jenen Abschnitt der Bohrung 14 eintritt,
der zwischen den Kolbenbaugruppen 30 und 32 angeordnet
ist, wie in 1 gezeigt wird.
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Das
oben erwähnte
Gas vom Kopf 16, das um die Außenseite der Ventilbaugruppe 40 der
Kolbenbaugruppe 30 herum geströmt ist, strömt direkt zur Ventilbaugruppe 42.
Wie in den 2 und 4 besser
gezeigt wird, strömt
dieses letztere Gas dann durch die Bohrungen 66a und die
Schlitze 66b im Ventilsitz 66 und übt einen
Druck auf die außenliegende
Stirnfläche
der Ventilplatte 68 aus. Wenn dieser Druck den von den
Federn 74 auf die innenliegende Stirnfläche des Ventilsitzes 66 ausgeübten Druck übersteigt,
wird die Ventilplatte 68 von der Sitzfläche des Ventilsitzes 66 heruntergedrückt und
in einer Richtung von links nach rechts, wie in 2 gesehen,
bewegt. Dies ermöglicht
das Hindurchströmen
von verdichtetem Gas durch den Ventilsitz 66 und durch
die fluchtenden Schlitze in der Ventilplatte 68, der Dämpferplatte 70 und
dem Ventilschutz 72, bevor das Gas in den zwischen den
Kolbenbaugruppen 30 und 32 verlaufenden Abschnitt
der Bohrung 14 eintritt. Dieser Abschnitt der Bohrung 14 erhält daher
zwei Gasströme
von der Kolbenbaugruppe 30, einen, der durch beide Ventilbaugruppen 40 und 42 fließt, und
einen, der nur durch die Ventilbaugruppe 42 fließt.
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Während des
obigen Vorgangs und als ein nicht begrenzendes Beispiel bewegen
oder „heben" sich die Ventilplatten 48 und 68 etwa
0,060 Zoll (1,52 mm) weit, bis sie mit ihrer jeweiligen Dämpferplatte 50 bzw. 70 in
Kontakt kommen. Die Platten 48 und 50 sowie die
Platten 68 und 70 bewegen sich dann zusammen etwa
weitere 0,020 Zoll (0,5 mm) weit, während sie verlangsamt werden,
und kommen dann mit ihrem jeweiligen Ventilschutz 52 und 72 in
Kontakt.
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Die
Kolbenbaugruppe 32, Bezug nehmend auf 2,
besteht aus zwei aneinander in Anlage befindlichen Ventilbaugruppen 86 und 88,
die mit den Ventilbaugruppen 40 bzw. 42 der Kolbenbaugruppe 30 identisch
sind. Die Ventilbaugruppen 86, 88 sind in die
entgegengesetzte Richtung wie die Ventilbaugruppen 40 und 42 gekehrt
und die Ventilbaugruppe 86 ist auf der Innenseite der Ventilbaugruppe 88 positioniert.
Die Ventilbaugruppen 86 funktionieren auf eine mit den
Funktionen der Ventilbaugruppen 40 bzw. 42 identischen
Weise. So strömt
etwas Fluid, das aus den im Kopf 18 gebildeten Einlasskammern, einschließlich den
Einlasskammern 18a und 18b, in die Bohrung 14 eingeführt wird,
in den Endabschnitt der Bohrung 14 auf der Innenseite der
Ventilbaugruppe 86 hinein. Wenn die Stange 24,
und somit die Ventilbaugruppen 30 und 32, sich
in einer Richtung von links nach rechts bewegt, übt der Druck des letzteren Gases
einen Druck auf die mit der Ventilbaugruppe 86 assoziierten
Ventilplatte aus, um sie zum Bewegen in einer Richtung von rechts
nach links aus ihrer dichtenden Position zu zwingen, bevor das Gas durch
die Ventilbaugruppe 88 und in jenen Abschnitt der Bohrung
zwischen den Kolbenbaugruppen 30 und 32 strömt.
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Der
restliche Teil des Gases aus dem Kopf 18 strömt um die
Außenflächen der
Ventilbaugruppe 86 herum und direkt zur Ventilbaugruppe 88.
Dieses letztere Gas übt
einen Druck auf die mit der Ventilbaugruppe 88 assoziierte
Ventilplatte aus, um sie zu zwingen, sich in einer Richtung von
rechts nach links aus ihrer dichtenden Position zu bewegen, bevor
das Gas durch die Ventilbaugruppe 88 und in den letzteren
Abschnitt der Bohrung 14 hinein strömt. Die Bohrung 14 erhält ebenfalls
zwei Gasströme
von der Kolbenbaugruppe 32, einen, der durch beide Ventilbaugruppen 86 und 88 fließt, und
einen, der nur durch die Ventilbaugruppe 88 fließt.
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In
Verbindung mit den 5A bis 5H wird
nun die vollständige
Funktionsweise des Verdichters 10 beschrieben. Wie in 5A gezeigt,
unterteilen die Kolbenbaugruppen 30 und 32 die
Bohrung 14 in einen Abschnitt 14a zwischen dem
Kopf 16 und der Kolbenbaugruppe 30, einen Abschnitt 14b zwischen
den Kolbenbaugruppen 30 und 32 und einen Abschnitt 14c zwischen
der Kolbenbaugruppe 32 und dem Kopf 18. Zu Beispielzwecken
wird davon ausgegangen, dass ein Fluid wie Gas oder ein anderes
Produkt infolge eines vorhergehenden Betriebszyklus in den Bohrungsabschnitt 14a gezogen
worden ist und die Stange 24 und daher die Kolbenbaugruppen 30 und 32 sich
in ihrer Position äußerst rechts
befinden, wie in 5 zu sehen ist.
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Das
Gas wird über
die Einlassleitung 22 in die Einlasskammern, einschließlich die
Kammern 18a und 18b, die im Kopf 18 ausgebildet
sind, eingeführt.
Die Stange 24 und somit die Kolbenbaugruppen 30 und 32 werden
von der Kraft der oben genannten Antriebsmaschine in einer Richtung
von rechts nach links, wie mit einem gefüllten Pfeil gezeigt wird, von
der Position von 5A auf die Position von 5B bewegt.
Diese Bewegung zieht Gas aus dem Kopf 18 in den Bohrungsabschnitt 14c und verursacht,
dass das vom vorhergehenden Zyklus im Bohrungsabschnitt 14a befindliche
Gas verdichtet wird.
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Weitere
Bewegung der Stange 24 und somit der Kolbenbaugruppen 30 und 32 von
rechts nach links auf die Position von 5C verursacht,
dass zusätzliches
Gas auf die oben besprochene Weise in den Bohrungsabschnitt 14c gezogen
wird, und erhöht
den Fluiddruck im Bohrungsabschnitt 14a weiter. Ein Teil
dieses verdichteten Gases strömt
in der oben beschriebenen Weise in die Ventilbaugruppe 40 der
Kolbenbaugruppe 30 und die Bewegung der Stange 24 von
rechts nach links wird fortgesetzt, bis der Druck im Bohrungsabschnitt 14a groß genug
ist, um die Ventilplatte 48 der Ventilbaugruppe 40 in
einer Richtung von links nach rechts von ihrem Ventilsitz 46 herunter
zu bewegen. Der obige Teil des verdichteten Gases fließt daher
in der oben beschriebenen Weise durch die Ventilbaugruppe 40 und
zur Ventilbaugruppe 42, wo er durch die fluchtenden Öffnungen 66c, 68b, 70b und 72a (4)
der letzteren Baugruppe und zum Bohrungsabschnitt 14b strömt, wie mit
den hohlen Pfeilen in 5C gezeigt wird. So wird in
diesem Fall die Klappenfunktion des Ventilsitzes 66 und
der Platte 68 umgangen.
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Der
andere Teil des verdichteten Gases im Bohrungsabschnitt 14a strömt um die
Ventilbaugruppe 40 herum und direkt in die Ventilbaugruppe 42, wie
ebenfalls oben beschrieben wurde. Wenn der Gasdruck im Bohrungsabschnitt 14a groß genug
ist, um die Ventilplatte 68 der Ventilbaugruppe 42 in
einer Richtung von links nach rechts von ihrem Ventilsitz 46 herunter
zu bewegen, fließt
der letztere Teil des verdichteten Gases daher in der oben beschriebenen Weise
durch die Ventilbaugruppe 42 und in den Bohrungsabschnitt 14c.
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Das
verdichtete Gas, das auf die zwei oben beschriebenen Weisen in den
Bohrungsabschnitt 14b fließt, verlässt das Gehäuseelement 12 durch den
Auslass 15 und wird vom Verdichter 10 über ein mit
dem Auslass verbundenes Rohr oder dergleichen wegtransportiert.
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Diese
Bewegung der Stange 24 und der Kolbenbaugruppen 30 und 32 von
rechts nach links wird fortgesetzt, was eine weitere Verdichtung
des Gases im Bohrungsabschnitt 14a und das Durchströmen des
verdichteten Gases durch die Ventilbaugruppen 40 und 42 der
Kolbenbaugruppe 30 verursacht. Das Gas im Bohrungsabschnitt 14a wird
durch den Auslass 15 abgelassen, wie oben beschrieben,
bis die Stange 24 und die Kolbenbaugruppen 30 und 32 die in 5D gezeigte
Endposition erreichen.
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Über die
Einlassleitung 20, Bezug nehmend auf 5E,
wird Gas in die im Kopf 16 ausgebildeten Einlasskammern,
einschließlich
der Kammern 16a und 16b, eingeführt. Die
Stange 24 und somit die Kolbenbaugruppen 30 und 32 werden
durch die Kraft der oben erwähnten
Antriebsmaschine in einer Richtung von links nach rechts, wie mit
dem gefüllten
Pfeil gezeigt, von der Position von 5E auf
die Position von 5F bewegt. Diese Bewegung zieht
Gas aus dem Kopf 16 in den Bohrungsabschnitt 14a und
verursacht, dass Gas, das infolge des obigen Vorgangs im Bohrungsabschnitt 14c vorhanden
ist, verdichtet wird.
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Weitere
Bewegung der Stange 24 und daher der Kolbenbaugruppen 30 und 32 von
links nach rechts auf die Position von 5G verursacht,
dass zusätzliches
Gas auf die oben besprochene Weise in den Bohrungsabschnitt 14a gezogen
wird, und erhöht
den Fluiddruck im Bohrungsabschnitt 14c weiter. Ein Teil
dieses verdichteten Gases strömt
in der oben beschriebenen Weise in die Ventilbaugruppe 86 der Kolbenbaugruppe 30 und
die Bewegung der Stange 24 von links nach rechts wird fortgesetzt,
bis der Druck im Bohrungsabschnitt 14c groß genug
ist, um die Ventilplatte der Ventilbaugruppe 86 in einer Richtung
von rechts nach links von ihrem Ventilsitz herunter zu bewegen.
Der obige Teil des verdichteten Gases fließt daher in der oben beschriebenen
Weise durch die Ventilbaugruppe 86 und zur Ventilbaugruppe 88,
wo er durch die fluchtenden Öffnungen
der letzteren Baugruppe und zum Bohrungsabschnitt 14b strömt, wie
mit den hohlen Pfeilen in 5G gezeigt
wird.
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Der
andere Teil des verdichteten Gases im Bohrungsabschnitt 14c strömt um die
Ventilbaugruppe 86 herum und direkt in die Ventilbaugruppe 88, wie
ebenfalls oben beschrieben. Wenn der Gasdruck im Bohrungsabschnitt 14c groß genug
ist, um die Ventilplatte der Ventilbaugruppe 88 in einer
Richtung von rechts nach links von ihrem Ventilsitz 46 herunter zu
bewegen, fließt
der letztere Teil des verdichteten Gases daher in der oben beschriebenen
Weise durch die Ventilbaugruppe 88.
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Das
verdichtete Gas, das auf die zwei oben beschriebenen Weisen in den
Bohrungsabschnitt 14b fließt, verlässt das Gehäuseelement 12 durch den
Auslass 15 und wird vom Verdichter 10 über ein mit
dem Auslass verbundenes Rohr oder dergleichen wegtransportiert.
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Diese
Bewegung der Stange 24 und der Kolbenbaugruppen 30 und 32 von
rechts nach links wird fortgesetzt, was eine weitere Verdichtung
des Gases im Bohrungsabschnitt 14c und das Durchströmen des
verdichteten Gases durch die Kolbenbaugruppe 32 und das
Ablassen des Gases durch den Auslass 15, wie oben beschrieben,
verursacht, bis die Stange 24 und die Kolbenbaugruppen
die in 5H gezeigte Endposition erreichen.
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Der
obige Zyklus wird dann wiederholt und der Verdichter 10 funktioniert
daher so, dass er kontinuierlich Gas über die Einlassleitungen 20 und 22 erhält und verdichtetes
Gas aus dem Auslass 15 ablässt.
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ALTERNATIVEN UND ÄQUIVALENTE
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Es
versteht sich, dass einige der Komponenten des Verdichters
10 im
Interesse der Deutlichkeit weggelassen wurden. Zum Beispiel wird
oben zwar ein doppeltwirkendes System mit zwei Kolbenbaugruppen
offenbart, es versteht sich aber, dass die vorliegende Erfindung
gleichermaßen
auf eine einfachwirkende Systembaugruppe anwendbar ist, in welcher
nur eine Kolbenbaugruppe bereitgestellt wäre, die auf mit den Kolbenbaugruppen
30 und
32 identische
Weise funktionieren würde.
Des Weiteren ist die vorliegende Erfindung nicht auf die spezielle Konstruktion
der oben offenbarten Ventilbaugruppen
40,
42,
86 und
88 begrenzt,
sondern es können
vielmehr auch andere Typen von Ventilbaugruppen verwendet werden,
wie z. B. jene, die in
US-Patent
Nr. 5011383 oder Nr.
5015158 offenbarten
(deren Offenbarungen durch Bezugnahme hierin eingebunden sind) oder
jene, die eine Reihe von Ringen oder Kugeln einsetzen. Des Weiteren
können
auch mehrere Einlassventile in den Einlasskammern angeordnet sein,
die in den Köpfen
16 und
18 definiert
sind. Darüber
hinaus kann auch ein anderes Fluid als Gas vom Verdichter
10 verdichtet
werden. Darüber
hinaus kann die Zahl der durch den Ventilsitz
66, die Platten
68 und
70 und
den Ventilschutz
72 verlaufenden Öffnungen verschieden sein,
und die Zahl der auf die obige Weise genutzten Federn
58,
60,
74 und
76 kann
in Abhängigkeit
von den jeweiligen Lastbedingungen verschieden sein.
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Fachkundige
Personen werden leicht erkennen, dass noch viele andere Modifikationen
an den beispielhaften Ausgestaltungen möglich sind, ohne vom Umfang
der Erfindung, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
In den Ansprüchen
ist vorgesehen, dass funktionelle (means plus function) Klauseln
die Strukturen abdecken, die hierin als die genannte Funktion durchführend und nicht
nur strukturelle Äquivalente,
sondern auch äquivalente
Strukturen abdecken.