CN107208613A - 流体能量机，用于产生流体体积流和/或压缩流体的方法以及用于给车辆加燃料的方法 - Google Patents

流体能量机，用于产生流体体积流和/或压缩流体的方法以及用于给车辆加燃料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及流体能量机和通过本发明的流体能量机用于产生流体体积流和压缩流体的方法。本发明还涉及使用根据本发明的用于产生流体体积流和压缩流体的方法给车辆加流体燃料的方法，以及根据本发明的流体能量机用于给机动车辆加燃料的用途。所述流体能量机包括曲柄传动(20)和机械连接到所述曲柄传动(20)的驱动设备(10)，通过所述驱动设备能够将扭矩引入曲柄传动(20)中，所述流体能量机还包括活塞‑气缸单元(30)，其活塞(32)机械连接到所述曲柄传动(20)上。所述驱动设备(10)包括两个电动机(50,60)，所述两个电动机各自的输出构件(51,61)机械地连接到曲柄传动(20)上。

Description

流体能量机，用于产生流体体积流和/或压缩流体的方法以及 用于给车辆加燃料的方法
本发明涉及流体能量机和使用根据本发明的流体能量机产生流体体积流和压缩流体的方法。另外，本发明涉及一种通过应用根据本发明的产生流体体积流和压缩流体的方法对车辆加燃料的方法，以及根据本发明的流体能量机用于给机动车辆加燃料的用途。
对于给设备例如机动车辆添加可以以液体形式存在的氢燃料，所谓的低温泵是已知适合于在低温下泵送流体。
DE 102007 035616 A1公开了一种特别为低温介质设计的泵。该泵包括活塞-气缸组件，其被设置为泵送和/或压缩非常冷的流体，例如氢。
这种类型的泵通常用液压驱动器操作。代替液压驱动，其它常规的低温泵送设备包括旋转驱动，其中在这种情况下，已经证明的方法特别是连接电动机与曲柄传动，曲柄传动又联接到活塞-气缸组件的活塞。
用于低温泵送设备的液压驱动通常需要相对大的安装空间来容纳附加部件，以及液压流体的冷却系统和容器。此外，在安装和维护方面，具有液压驱动以及具有在液压缸中进行距离测量的相关测量设备的泵送设备相对昂贵。这通常需要布置线性距离测量系统。为了预防产生体积流的不允许的峰值，必须在泵送设备中设置活塞的正弦式加速度曲线。当使用液压驱动设备时，相应的加速曲线的实现伴随着需要增加控制操作和为提供这些控制操作必须安装的控制设备方面的复杂性。此外，当使用液压驱动设备时，通常不可能以大于约2Hz的频率产生活塞-气缸单元的冲程。
在具有电动驱动和曲柄传动结合的设计变体中，标准商业电动机的最大频率相关额定扭矩限制了在可实现的流速和可实现的泵送压力方面泵送设备的最大泵送能力。当寻求高流速和高压时，除了力或力矩之外，还必须通过电动机施加冲程运动的相应频率到曲柄传动。这意味着相应的反作用力作用于电动机或其基座和/或在电动机和曲柄传动之间的扭矩传递部件的基座。如果要使它们不接触所产生的磨损，则轴承部位的稳定性必须适应这一点，这在当电动机的输出部件与曲柄传动的旋转轴基本同轴地装配，并且固定地连接到该曲柄传动时尤其是值得注意的。
因此，本发明的目的是提供一种流体能量机和用于产生流体体积流和/或压缩流体的方法，由此流体例如气态氢可以被压缩，并且这里可是气态或液态氢的流体可以以简单、经济和可靠的方式泵送，这种方式需要低维护。本发明所涉及的目的的其它方面是提供一种给车辆添加流体燃料的方法，以及根据本发明的流体能量机的用途。
为了实现该目的，提供了根据权利要求1所述的流体能量机和根据权利要求9所述的产生流体体积流和/或压缩流体的方法。在从属权利要求2-8中详细描述了根据本发明的流体能量机的有利配置。
根据本发明的流体能量机包括曲柄传动和驱动设备，所述驱动设备机械地连接到曲柄传动，通过该驱动设备可以将扭矩引入曲柄传动。此外，所述流体能量机包括活塞-气缸组件，所述活塞-气缸组件的活塞机械地连接到曲柄传动。根据本发明提供的是，所述驱动设备包括两个电动机，其各自的输出构件机械连接到曲柄传动。进一步提供的是所述活塞-气缸组件包括仅一个活塞和仅一个气缸。电动机，以下也称为发动机，是旋转电动机，不排除两个以上电动机的配置的可能性。因此，驱动设备包括至少两个发动机。施加这些发动机或驱动设备的扭矩到曲柄传动，特别是其曲柄，以便驱动曲柄传动并实现活塞-气缸单元的活塞的位移。每个发动机的扭矩从其输出构件中得到，例如从其轴颈中。活塞与曲柄传动的机械连接通过以下事实实现：活塞机械地连接到曲柄传动的连杆或联轴器。
曲柄传动优选包括仅一个曲柄和连接到其上的联轴器或连杆，其中根据本发明布置的至少两个发动机将它们各自的扭矩施加于这一个曲柄。
在另一种设计中，存在两个平行的曲柄和联轴器，使得两个发动机中的每个分别作用于一个曲柄传动上。曲柄传动连接活塞。
根据本发明的流体能量机是用于产生流体体积流和压缩流体的低温泵。使用该泵或压缩机，可以产生液态或气态氢的体积流并实现气态氢的压缩。在根据本发明的一种配置中，设置流体能量机使得流体可被压缩至50-1000巴的压力，特别是350-500巴或700巴的压力。
优选地，根据本发明布置的所有发动机是电动机，但是也不打算排除应用液压发动机。
发动机与曲柄传动的机械连接优选地在曲柄传动的曲柄上实现，使得引入特定的发动机扭矩到曲柄中。该曲柄也可以配置为偏心盘。两个发动机与曲柄的机械连接可以特别地在曲柄传动的曲柄运动平面的两侧上实现，例如通过两个平行安装的偏心盘，每个形成一个曲柄，连接到联轴器或连杆。在这种布置中，轴在发动机和用于传递扭矩的曲柄传动之间同轴地布置。
根据本发明的流体能量机的优点是，尽管其在轴的1-600转/分钟(rpm)的低旋转速度下运行，但它仍然可以产生必要的高压。尽管旋转速度慢，但通过使用电动机，可以实现1000-4000Nm的高扭矩。所产生的施加在活塞杆上的力为20-15kN。
在根据本发明的流体能量机的第一设计变体中，至少一个电动机的输出构件通过轴直接连接到曲柄传动的曲柄。这意味着，例如，一个发动机的轴颈连接到直接与曲柄机械连接的轴。
在根据本发明的流体能量机的另一设计变体中，提供了在至少一个电动机的一个输出构件和曲柄传动的曲柄之间设置的传动装置，特别是螺旋变速箱，用于向上或向下转换由电动机产生的扭矩。在该设计变体中，优选对称布置，使得两个发动机每个都连接一个传动装置，而传动装置又连接到曲柄传动。曲柄传动优选地包括两个驱动轴，使得在每种情况下，在发动机和驱动轴之间布置传动装置。这并不是为了排除本发明的如下设计：其中一个发动机直接机械连接到曲柄传动，另一个或额外的发动机间接地连接到曲柄传动，即经由传动装置。
曲柄传动应优选包括连杆，所述连杆机械地连接到活塞-气缸单元的活塞，例如通过接头。该连杆也被称为联轴器，优选以旋转铰接方式连接到活塞并以旋转铰接的方式连接到曲柄。
连接两个发动机到曲柄传动导致产生对称的负载和两个发动机或其驱动轴上的反作用力或反力矩的分布，其使得驱动设备或曲柄传动的载荷和/或损耗总体上下降。
轴承在尺寸上可以相应地更小，或者轴可以设计为较小的直径。
在流体能量机的优选设计中，轴安装在球轴承上。这部分地由于低转速而促进。整个流体能量机具有相对低的体积要求。
此外，具有相对低的额定扭矩或低转速的常规商业电动机也可以用于实现更高的压力和生产率，例如在氢加注站所需要的。
在使用根据本发明的流体能量机产生氢体积流和压缩氢气流的方法中，以液态形式提供待输送和压缩的氢，其中供给氢气到活塞-气缸单元并且操作流体能量机的电动机，使得活塞-气缸单元的活塞发生位移，从而产生氢体积流并且压缩氢。
根据本发明的方法有利地用于给车辆加液态或气态氢燃料。将液化的氢泵送到待加燃料的车辆中，在这种情况下仅产生体积流，或者泵送气态氢，其中方法的构造中产生体积流，并且同时压缩气体。
流体能量机优选设计为两级活塞机，并且在第一级中，进行氢的预压缩，并且在第二级中进行压缩至系统压力。
在预压缩阶段期间，有利地将压力提高4-12巴。系统压力优选为50-1000巴，特别是350-500巴。
设计这两级使得当活塞向上移动时，即沿驱动设备的方向移动时，发生预压缩或预加料。在活塞向下运动期间，即当活塞沿出口设备的方向移动时，压力从第一级的初始压力升高到系统压力。系统压力受最大泵输出压力的限制。
在根据本发明使用所述流体能量机的方法中，通过电动机的频率调节流体能量机的氢的泵送量，其为0-250kg/h，特别是30-200kg/h。
通过下面参考附图中示出的示例性实施方案来描述本发明。
显示如下：
图1：在第一实施方案中的根据本发明的流体能量机，
图2：在第二实施方案中的根据本发明的流体能量机。
图1和图2所示的实施方案的不同之处在于，在图1所示的变体中，发动机直接连接到曲柄传动，而在图2所示的变体2中，传动装置设置在发动机和曲柄传动之间。
为了描述两个实施方案中存在的特征，将首先参考两个图。
两个变体都包括驱动设备10，在示出的示例性实施方案中，由第一发动机50和第二发动机60实现。两个发动机都被实现为电动机。两个发动机50,60分别连接到用于设定发动机转速的转速传感器53,63。在流体能量机的两个实施方案中，提供曲柄传动20，其包括在这里显示为具有两个偏心盘的曲柄21，和通过第一接头23连接到曲柄21或其两个偏心盘的连杆22或联轴器。此外，在两个实施方案中，提供了活塞-气缸组件30，其包括可在气缸31中移位的活塞32。连杆22或曲柄传动20的联轴器通过第二接头24连接到活塞-气缸组件30的活塞32上。在曲柄21的旋转期间，连杆22发生典型的旋转和平移的组合运动，其吸收来自活塞32的剪切力，活塞32的活塞杆通过这里未示出的轴承安装在两侧，其各自形成滑动接头，并且以活塞冲程运动的形式使活塞32在气缸31中强制运行。
在活塞-气缸组件30的气缸31上提供用于将流体40供给到气缸31中的入口装置33，以及用于排出位于气缸31中的可压缩的流体40的出口装置34。第一发动机50包括第一输出构件51，第二发动机60包括第二输出构件61。这些输出构件51,61是例如发动机50,60的轴颈。各输出构件50,60连接到轴，使得第一输出构件51连接到第一轴52，第二输出构件61连接到第二轴62。
在图1所示的实施方案中，第一轴52和第二轴62均直接连接到曲柄传动20的曲柄21上，使得由各发动机50,60产生的扭矩通过输出构件51，61施加在其上设置的轴52,62上，并且通过该轴52,62，施加到曲柄传动20的曲柄21上，使得活塞32的冲程运动可以通过曲柄传动20实现。
在图2所示的实施方案中，第一轴52连接到第一传动装置70，该第一传动装置包括在第一轴52上的第一驱动正齿轮71，该齿轮与位于第一输出轴73上的第一从动正齿轮72啮合，所述第一输出轴73刚性地连接到曲柄传动20的曲柄21。
以类似的方式，第二驱动正齿轮81位于第二轴62上，该齿轮与第二从动正齿轮82啮合，第二从动正齿轮82又位于刚性连接到曲柄传动20的曲柄21上的第二输出轴83上。这种机制允许发动机50,60的扭矩和转速上升或下降，以增加由曲柄传动20产生的扭矩，或者增加活塞32的运动频率。
本发明不限于图2所示的具有传动装置构件的对称布置的实施方案，还可以在发动机50,60和曲柄传动20之间布置不同的传动装置，并且还可以在相应的发动机50,60和曲柄传动20之间布置联轴器，以便适当地接合或分离传动系统，从而根据需要提供扭矩。
附图标记列表
驱动设备 10
曲柄传动 20
曲柄 21
连杆 22
第一接头 23
第二接头 24
活塞-气缸单元 30
气缸 31
活塞 32
入口装置 33
出口装置 34
流体 40
第一发动机 50
第一输出构件 51
第一轴 52
第一转速传感器 53
第二发动机 60
第二输出构件 61
第二轴 62
第一转速传感器 63
第一传动装置 70
第一驱动正齿轮 71
第一从动正齿轮 72
第一输出轴 73
第二传动装置 80
第二驱动正齿轮 81
第二从动正齿轮 82
第二输出轴 83

Claims (14)

1.流体能量机，所述流体能量机包括曲柄传动(20)和机械连接到所述曲柄传动(20)的驱动设备(10)，通过所述驱动设备能够将扭矩引入曲柄传动(20)中，所述流体能量机还包括活塞-气缸单元(30)，其活塞(32)机械连接到所述曲柄传动(20)上，
其特征在于，
所述驱动设备(10)包括两个电动机(50,60)，所述两个电动机各自的输出构件(51,61)机械地连接到曲柄传动(20)上，以及所述活塞-气缸单元(30)包括仅一个活塞(32)和仅一个气缸(31)。
2.根据权利要求1所述的流体能量机，其特征在于，所述流体能量机是低温泵，用于产生流体体积流以及用于压缩流体(40)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的流体能量机，其特征在于，设置所述流体能量机使得流体(40)可被压缩至50-1000巴，特别是350-500巴或700巴。
4.根据前述权利要求中任一项所述的流体能量机，其特征在于，实现所述电动机(50,60)与所述曲柄传动(20)在曲柄传动(20)的曲柄(21)上的机械联接，从而将电动机扭矩引入曲柄(21)中。
5.根据权利要求4所述的流体能量机，其特征在于，至少一个电动机(50,60)的输出构件(51,61)通过轴(52,62)直接联接到所述曲柄传动(20)的曲柄(21)上。
6.根据权利要求4所述的流体能量机，其特征在于，在至少一个电动机(50,60)的输出构件(51,61)和所述曲柄传动(20)的曲柄(21)之间布置传动装置(70,80)，特别是螺旋齿轮单元，用于将由电动机(50,60)产生的扭矩向上或向下变换。
7.根据前述权利要求中任一项所述的流体能量机，其特征在于，所述曲柄传动(20)包括连杆(22)，并且所述活塞(32)机械地连接到所述连杆(22)上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的流体能量机，其特征在于，所述轴安装在球轴承上。
9.使用根据权利要求1-8中任一项所述的流体能量机用于产生氢体积流和用于压缩氢(40)的方法，其中以液态形式提供待输送和压缩的所述氢，其特征在于，将氢(40)供给到活塞-气缸单元(30)，并操作所述流体能量机的电动机(50,60)使得活塞-气缸单元(30)的活塞(32)发生位移，从而产生氢体积流并且压缩氢(40)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，经压缩的氢用于给车辆添加液态或气态氢燃料。
11.根据权利要求9或10中任一项所述的方法，其特征在于，所述流体能量机被设计为两级活塞机，并且在第一级中进行氢的预压缩，以及在第二级中进行压缩至系统压力。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述预压缩期间将压力增加4-12巴。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述系统压力为50-1000巴，特别是350-500巴或700巴。
14.根据权利要求9-13中任一项所述的方法，其特征在于，所述流体能量机的氢的泵送量是通过所述电动机的频率进行调节，并且其为0-250kg/h，特别是30-200kg/h。
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