CN107636308A - 具有长形腔室的隔膜式压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于将气态流体加压到至少10MPa压力的高压隔膜式压缩机(1)，该压缩机(1)包括具有长形腔室(3)的压缩机头(2)。还公开了一种包括这种压缩机的加氢站。

Description

具有长形腔室的隔膜式压缩机
技术领域
本发明涉及一种包括具有长形腔室的压缩机头的高压隔膜式压缩机、这种压缩机在加氢站中的用途以及具有这种压缩机的加气站。
背景技术
已知存在用于各种不同目的的工业用压缩机，这些压缩机的压力范围根据压缩机的目的而变化。同样，压缩机的设计有时可以为专用目的定制。然而，当压缩机用来提供高压时，例如，从高于1MPa但是特别地高于10MPa开始，这种高压力压缩机的物理大小和能耗开始增加。当增加压缩机头的体积时，在某一点，由于压缩机腔室的体积增加所导致的压力负荷增加，固定两个压缩机头部件的螺栓将难以将压缩机头部件保持在一起。
发明内容
本发明的目的是克服这些问题。本发明涉及一种用于将气态流体加压到至少10MPa压力的高压隔膜式压缩机，所述压缩机包括具有长形腔室的压缩机头。
根据本发明的实施例，腔室是由压缩机头的上头部和下头部限定，其中，腔室包括由隔膜分开的上腔室和下腔室，其中，上头部包括促进上腔室与第一气体系统之间的流体连接的入口阀，其中，上头部包括促进上腔室与第二气体系统之间的流体连接的出口阀，其中，下头部包括促进下腔室与液压系统之间的流体连接的多个端口，其中，液压系统包括通过液压流体的循环来促进在腔室内移动隔膜的活塞，并且其中，压缩机还包括检测从腔室泄露气态流体或液压流体的泄露检测装置。优选地，第一压力与第二压力之间的压力比至少是1:1,05，示例是1:1,1和1:1,2，由此促进将第一流体系统的第一压力增加到第二流体系统的第二压力。
通过使得腔室为长形，与其他形状相比(诸如传统的圆形腔室)，可以通过相同的材料获得更大的腔室体积。因此，由于增加的夹紧力和改善的气体和热量分布，本发明所获得的压力与材料体积比高于传统的圆形腔室设计。
术语“压缩机”应当被理解为被配置成对流体、优选地气态流体加压的装置，因此，这种装置也可以被称为例如泵并且用于工业目的，即非医疗或计量目的。
术语“第一气体系统”应当被理解为包括储存装置的气态流体系统的一部分，气体在一个压力下储存在该储存装置中。第二气体系统应当被理解为包括另一个更高压力储存装置的气态流体系统的的一部分或例如用于将气体输送到外部流体系统(诸如例如车辆或储存装置)的出口。
术语“长形”应当被理解为在一个方向上细长的球形形式，即，非圆形或正方形的形状。
具有长形腔室是有利的，因为横跨压缩机头的最近的紧固点之间的距离得到减小。因此，对于具有给定的压力限制/体积的长形腔室而言，与具有传统的圆形空腔的压缩机头相比，这减小了这种压缩机头所需要的材料厚度。因此，长形腔室允许通过更少的材料实现更高的压力。
长形腔室的特定几何形状具有若干优点。长形压缩机头的主要优点在于能够尤其改善液压流体的流动分布。这允许流过腔室的质量流增加，而不会增加压缩机头的大小。由此，每单位容量的资金成本得到减少，因为质量流、部件(诸如隔膜)的寿命、体积效率等等得到增加。
另外，长形腔室是有利的，因为有效表面积(例如，考虑腔室的热传递与体积之比)得到增加，因此促进热传递的可能增加并且因此促进更高的压缩效率。另外，长形腔室促进将腔室的入口和出口分开，这进而促进腔室中从入口到出口的气流不那么扰动。这种线性气流是有利的，因为腔室中从入口到出口的气流路径的摩擦更小并且稳定性更高。
气体压缩机或用于处理气体的压缩机的设计面临泄露问题，然而，由于气体和流体的不同性质，液体压缩机不存在这种问题。
有利的是能够检测泄露，因为高压下的泄露可以指示某个地方出问题了，即部件可能故障并且因此在压缩机出现大型损坏、气流释放到大气中或者造成污染之前需要维修或替换。
根据本发明的实施例，上腔室3a的深度Z与宽度Y之比介于1:10(Z:Y)与1:100之间、优选地介于1:25与1:85之间、最优选地介于1:45与1:75之间。这种尺寸限定了符合与体积、速度和压力相关的要求的有利关系。因此，根据本发明的有利实施例，如果从隔膜E的息止平面到点I测量的深度是3mm并且从点B到点D测量的腔室的宽度是150mm，则深度与宽度之比是1:50。
隔膜的息止平面E被限定为在组装时所述上头部和所述下头部汇合的平面，并且因此如果所述隔膜不是预成型的，例如，以减小应力，则当不使用所述压缩机时，这个平面也是隔膜的位置。
根据本发明的实施例，腔室的宽度Y与长度X之比是至少1:1,2(Y:X)。在实施例中，如果从点B到D测量的宽度是100mm(Y)并且从点A到D测量到长度是250mm(X)，则宽度与长度之比是1:2,5(Y:X)。
根据本发明的实施例，入口阀和出口阀都位于所述上头部内的平面F中。根据本发明的替代实施例，开口可以是来自上头部的侧面的开口，并且因此至少部分地与隔膜的息止位置非垂直地进入所述上头部。
另外，应当说明的是，出口开口的直径通常小于入口开口的直径。
根据本发明的实施例，包括入口阀的开口的中心G与包括出口阀的开口的中心H之间的距离R是腔室的长度X的至少35％。应当说明的是，距离R可以容易地高达并到达腔室的长度X的50％以上。这是有利的，因为由此限定的是将液体流体直接从入口阀引向出口阀的预定流动路径。这与例如用来增加有用腔室体积的圆形腔室将阀定位成在腔室的顶部尽可能靠近彼此相反。这在阀之间产生非直接流动路径。
根据本发明的实施例，长形是椭圆形，优选的是超椭圆形。优选地，所述形状是椭圆形，应当被理解为可以通过数学公式计算的任何类型的椭圆形，包括超椭圆形。优选的是，如果腔室的端部具有超椭圆形，与具有其他长形的腔室相比，这将显著地减小隔膜的应力。
根据本发明的实施例，活塞的移动方向与多个端口中的至少一个的方向之间的倾斜角小于90度，优选地小于45度，最优选地小于30度。压缩机头的腔室部分地由上头部和下头部形成，其中，多个端口在下头部中形成。端口与流体系统的压缩腔室一起限定液压流体的从液压流体系统到下腔室的流动路径的一部分。
当隔膜处于息止位置时，液压流动路径与隔膜不在同一个平面中或者不垂直于隔膜是有利的。因此，该液压流动路径从活塞朝向入口阀是直的是有利的。这是因为液压流体的流动路径对于最大操作速度而言是优化的，因为液压流体在其从液压系统腔室朝向下腔室的路上需要绕过的角落或边缘的数量最小化。这种设计的效果是，与传动的压缩机头设计相比，速度增加并且由此相同体积所带来的容量增加。
另外，通过上述流动路径，液压流体需要绕过的拐弯数量得到限制，并且角落或边缘可以得到平滑化。这是有利的，因为促进了第二流体的流动的尽可能小的阻力。
优选地，相对于所述活塞的移动方向调整所有单个端口，以优化流动，可替代地，所有或至少一部分端口具有相同的角度。
根据本发明的实施例，液压流体从液压系统的压缩腔室朝向入口阀的流动路径是基本上线性的。
根据本发明的实施例，液压流体在冲击隔膜的纵向方向的第二端之前冲击隔膜的纵向方向的第一端。这是有利的，因为通过这种设计，液压流体在入口所在的一端(第一端)进入腔室并且由此在压缩腔室的往复构件移动朝向长形腔室(排出冲程)时在出口之前关闭入口。同样地，当往复构件移动远离椭圆形腔室(吸入冲程)时，在出口之前打开入口。
这种设计的效果是隔膜的波浪式移动促进控制气体从上腔室的入口到出口的流动，由此促进更高的操作速度。与传统的圆形压缩机相比，隔膜的这种从进入腔室的入口的区域朝向腔室的出口的波浪式移动促进显著地增加速度，例如高达或者甚至高于400％，实现了更高效的压缩机头。
根据本发明的实施例，上头部包括冷却通道，冷却通道将冷却剂从出口阀周围的区域引导朝向预定流动路径的方向、朝向入口阀。
根据本发明的实施例，至少一个冷却通道在入口阀与出口阀之间是线性的。这是有利的，因为获得了入口与出口开口之间的冷却。
这种非对称冷却是有利的，因为冷却剂被尽可能靠近出口来供应，并且由此冷却剂在最冷水平尽可能靠近气体到达其最高温度时(即当气体被压缩并且在离开空腔的路上)进入上头部。
另外，在入口与出口之间的优选地直线上引入冷却剂、绕过入口并且返回出口区域是有利的。这是因为由于腔室的细长形状，气体当由隔膜压缩时集中在入口与出口之间的基本上线性的流动路径中。
因此，具有直线形冷却通道的压缩机头对于将热量从正在压缩的气体传走更有效。随着隔膜接近加工头的表面，这个特征得到放大。
通过气态流体的的入口和出口到压缩机头的腔室的本发明设计获得改善的冷却，允许第一流体从入口朝向出口的运动方向确定，并且因此有机会在冷却剂与待冷却的气态流体之间实现增加的温度梯度。
根据本发明的实施例，上头部的内表面和/或下头部的内表面和/或隔膜通过物理气相沉积涂覆涂层。
根据本发明的实施例，涂层是无定形碳涂层。
根据本发明的实施例，无定形碳涂层是类金刚石碳。根据本发明的实施例，其中，上头部和/或下头部和/或所述隔膜的内部部件在干燥环境中操作，有利的是涂覆这些部件，以减少磨损并且减少隔膜移动时所产生的热量。这在第一和/或第二流体处于气体状态时尤其重要。
根据本发明的实施例，隔膜由多个单独堆叠的片层、优选地三个片层制成。这是有利的，因为与由单片层料制成的隔膜相比，由多个片层制成的隔膜更具柔性。对于给定的厚度，由多个片层制成的隔膜在压缩机腔室的端口区域上方维持基本上相等的强度，同时提供弯曲到空腔形式的增加的柔性。
根据本发明的实施例，这些片层由镍基合金718制成。
根据本发明的实施例，至少多个堆叠片层中的上片层的一侧和中间片层的一侧是涂覆的。
根据本发明的实施例，涂层是通过物理气相沉积或浸渍制备的，并且选自以下各项：类金刚石涂层、氮化铬涂层、银涂层。这些片层的涂层是有利的，因为与原始的未涂覆的片层相比，片层的磨损得到减少。涂层因此是对原始的片层引入润滑的有利替代方案，这也将减少未涂覆片层的磨损。
根据本发明的实施例，隔膜是滑动隔膜。术语“滑动”应当被理解为隔膜未直接夹持到腔室或形成腔室的部件。优点在于隔膜的应力得到减小，因为与夹持到形成腔室形成部件的隔膜相比，隔膜可以更自由地移动。
优选地，隔膜由奥氏体镍合金或可替代地钢、塑料、黄铜、(高)镍合金、柔性弹性体材料和对氢脆耐受的类似材料制成。弹性体材料是有利的，因为这种材料比诸如钢或镍合金等材料更具柔性。
根据本发明的实施例，上腔室内的压力高于70MPa，并且其中，上头部和下头部通过多个螺栓连接。优选地，通过常规的螺栓，即非超螺栓。
根据本发明的实施例，液压系统的活塞配置成以高于每分钟600转以上工作。具有细长腔室的压缩机头是有利的，因为使用螺栓进行固定的传统设计与传统的压缩机头相比能够在更高的体积和压力限制下工作。因此，通过本发明，可以超过每分钟500转/70MPa压缩机头而无需改变设计，并且由此避免在体积和/或压力增加到这些值以上时使用昂贵的超螺栓或启动设计。
根据本发明的实施例，气态流体是低密度气体，优选地是氮气。
另外，本发明涉及根据权利要求1-19中任一项所述的压缩机在加氢站中的用途。
此外，本发明涉及一种加氢站，包括第一氢气储存装置和第二氢气储存装置以及压缩机，所述压缩机具有长形腔室并且将处于第一氢气储存装置的第一压力下的氢气移动到第二氢气储存装置内的第二压力。
附图说明
在以下说明中，参照附图描述本发明的若干示例性实施例，在附图中：
图1示出根据本发明的实施例的压缩机；
图2示出压缩机腔室的俯视图；
图3示出压缩机腔室的侧视图；
图4a示出压缩机腔室的一端的一部分的俯视图；
图4b示出压缩机腔室的一端的一部分的侧视图；
图5a和5b示出压缩机头和液压系统的一部分；
图6示出上头部的冷却通道的俯视图；
图7示出具有贯穿本公开描述的压缩机的加氢站。
具体实施方式
图1示出根据本发明的实施例的隔膜泵1的示意图。
上头部12和下头部13组装一起形成压缩机头2，上头部3和下头部4的接合表面分别基本上在平面中彼此抵靠。在泵头2内部，上头部3和下头部4的表面分别一起形成压缩机头腔室3。该腔室3由布置在同一平面中的可移动隔膜4分为两个隔室，其中，上头部3和下头部4组装形成泵头2。
隔膜4与上头部12之间的隔室通常被称为上隔室3a或工艺流体腔室。类似地，隔膜4与下头部4之间的隔室通常被称为下腔室3b或液压流体腔室。
如图1可见，液压系统10经由液压输入22和液压输出23与下腔室3b流体连接。液压活塞20将液压流体泵送至下腔室3b和泵送来自下腔室3b的液压流体。
当液压流体被泵送到下腔室3b中时，隔膜4被朝向下头部12按压，并且上腔室3的体积减小。这使得封闭在其中的工艺流体的压力增加，并且当已经到达某个压力时，安装在上头部3中的也被称为出口阀6的工艺流体排出单向阀打开并且将工艺流体释放到第二气体系统8中。为了将所有剩余的工艺流体从上腔室3a排出，活塞20持续将液压流体泵送到下腔室3b，直至隔膜6与上头部12a的内表面充分接触，使得上腔室3a非常小。原理上是零体积，但是通常是捕获工艺流体的小体积。
当液压流体在液压活塞20的返回冲程或排出冲程期间从下腔室3b吸出时，出口阀6闭合，隔膜4跟随液压流体水平下降，上腔室3a的体积增加，并且腔室内的压力增加。当上腔室3a中的压力已经下降到工艺流体的入口压力以下时，安装在上头部3中的也被称为入口阀5的工艺流体入口单向阀打开，并且只要液压活塞20移动回去，工艺流体就从第一气体系统7流入上腔室3a，并且上腔室3a的体积增大。
当液压活塞20开始再次向前移动时(吸入冲程)，入口阀5闭合，并且操作循环重复。
第一流体系统7可以是气态流体储存装置29，优选地是第一压力(例如20-50MPa)氢气储存装置，并且第二流体系统8也可以是气态流体储存装置30，优选地是第二(例如50-100MPa)压力氢气储存装置。第一流体系统7可以是加氢站18的一部分，并且第二流体系统8可以是车辆31的氢气储存装置。
重要的是需要使隔膜4与液压活塞20保持同相，另外期望的是确保下腔室3b是完全填充的，使得隔膜4实际上在液压活塞20的排出冲程结束时与上头部12a的内表面接触。为了确保这一点，液压系统10可以包括注入泵、入口阀、出口阀、控制阀等等。有关液压流体的排出量的信息可以用来适当地调整隔膜式压缩机1的设置。然而，在其他实施例中，其他(可能是非同步的)方法可以用来向下腔室3b添加额外的液压流体。
图1还示出泄露检测单元19，该泄露检测单元用来检测是否有任何气态流体或液压流体从腔室3流出。泄漏检测单元19可以被实现为在泄露时激活的压力阀。不管液体如何从腔室3流出，优选的是泄漏检测单元19可以检测这种流出。可替代地，使用多于一个泄漏检测单元19。
阀5、6、19和包括活塞20的液压系统10以及其他未示出的部件可以与第一和第二气态流体系统一起由未示出的控制系统一起或单独控制。这种控制系统是用于控制压缩机的现有技术控制系统并且因此将不再描述。
图2示出从隔膜4可见的位于上头部12中的上腔室3a部分。优选地，腔室3为长形，意味着长度比宽度更长，并且优选地，上腔室3a和下腔室3b的几何形状相同，然而，下腔室3b的体积可以大于上腔室3a的体积。这主要是因为隔膜4的压力在排出冲程结束时更高，在结束时，隔膜4优选地与上头部12a的内表面接触，在吸入冲程结束时，情况优选地不是这样，即此时隔膜4优选地不与下头部13a的内表面接触。在分别表示腔室3的端点的相对端点A、C之间测量腔室3的长度X。同样地，在分别表示腔室3的侧点的相对端点B、D之间测量腔室3的宽度Y。
因此，长度X被限定为两个相对端点A、C之间的优选地在平行于入口阀5与出口阀6之间的线的方向测量的最长距离。并且，宽度被限定为两个相对端点B、D之间的优选地在垂直于入口阀5与出口阀6之间的线的方向测量的最长距离。
优选的是，宽度Y与长度X之比是至少1:1,2。在1:1,5的示例中，宽度Y与长度X之比可以是宽度Y为至少120mm-180mm并且长度X为至少180mm-270mm。但是，如所述，宽度Y与长度X之比还可以更高，例如1:1,6、1:1,7...1:2等等。
根据优选实施例，Y＝150并且X＝270，即宽度与长度之比可以表达为Y/X＝0,55(150/270)或Y:X＝1:1,8(150x1,8)。这在0.40至0.90(Y/X)的优选范围内。
图3示出位于上头部12内的具有在端点A、C之间测量的长度X的上腔室3a部分的侧视图。侧视图位于图2的线AA。深度Z被示出为点I与平面E之间的距离。当隔膜处于息止位置时，即当上腔室3a和下腔室3b中的压力相同时，平面E由隔膜4的位置限定。点I被限定为上腔室3a的顶点，即到平面E的垂直距离最长的点。优选地，点I位于在入口阀5与出口阀6之间测量的相等距离处。
优选的是，深度Z与宽度Y之比介于1:10与1:100之间，意味着宽度Y比深度Z宽很多。通常，深度与宽度之比将大约是1:40加减20，因此，深度Z与宽度Y之比的示例可以是Z＝3与Y＝60mm-180mm。这可以被表达为0,05至0,0167(Z/Y)的比率。
在本发明的优选实施例中，上腔室3a的尺寸是深度Z＝2mm、宽度Y＝150mm、长度X＝270mm，并且开口G与H之间的距离R是130mm。
另外，图3示出上头部12中的开口位置，允许安装入口阀5和出口阀6并且由此控制也被称为气态流体的工艺流体流入并流出上腔室3a。如图所示，入口阀开口G的中心与出口阀开口H的中心之间存在距离R。与传统的圆形腔室相比，长形腔室3促进增加中心点G与H之间的空间。主要优点是从入口阀5到出口阀6的气体流动可以受控以跟随预定的流动路径11。这使得摩擦减小并且促进气体的异步冷却。
优选地但不是必需地，入口阀5和出口阀6的开口在上腔室3a中位于同一平面F内。
优选地，入口阀5和出口阀6的开口的中心G、H与腔室3的相应的端点A和C间隔开相同的距离S、T。因此，还可以将开口5和6的中心G、H设置为使得距离S和T不相等。优选地，单独的长度S和T小于开口5、6的中心G、H之间的距离。
如上所述，腔室3的几何形状对于空腔3的体积而言非常重要，并且如下所述，如果不改变传统的圆形压缩机头/腔室设计的话，将到达上限。在以下描述中对体积增加进行了详细阐述。当考虑具有圆形头的隔膜式压缩机时，在压力下将压缩机头组装在一起所需的面积以及因此夹持负荷随着压缩机头的直径平方而增加。这是圆周面积方程式和由压力产生的负荷的方程式的结果，其中压力在压缩机头部组件上所需的夹紧力中合并去除。
考虑到具有实质压力等级(例如，50-100MPa)的压缩机头，螺栓负荷在难以在压缩机头周界周围物理地定位螺栓的某个直径处足够大。这是因为螺栓大小增加的比压缩机头的圆周增加的更快。这是因为圆的周界或圆周的等式与直径为线性关系。
因此，当直径进一步增加以在压缩机头的周界上物理地定位螺栓时，从螺栓夹持的地方到压力边界结束的地方的距离变得更大。这随后导致压缩机头厚度的进一步增加。
此时，压缩机头厚度与压力为非线性关系，并且因此，设计人员无法按照满足所需负荷而不会显著地增加压缩机头厚度的方式物理地定位夹持螺栓。
绕过这种进退两难处境的一种方法是改变压缩机头2的形状，以增加压缩机腔室3a(也被称为上腔室3a)的体积，而不会不适当地增加所需夹紧力。这是通过本发明借助于“切割”通过压缩机头2的中平面并且将其分为两半来实现的。此后，通过在这两半之间添加材料来重新接合这两半，以产生细长或长形压缩机头。此时，压力面积和体积随着周界长度的基本上线性的增加而线性地增加，以容纳夹持螺栓。由此避免了夹持螺栓的物理空间受限的问题。
因此，可以获得具有细长腔室3的细长压缩机头2并且通过添加材料来增加体积，其方式为能够使得压缩机头为圆形。这将导致所需夹紧力大幅增加，这是因为压力面积增加，而不是显著的体积增加。另外，这种设计将导致气体在压缩时被捕获在该体积内。
图4a和图4b示出腔室3的端部部分，其中，图4a为俯视图，而图4b为在图2的线AA看到的侧视图。在图4a中，俯视图示出腔室3的端部在本发明的实施例中被限定为超椭圆。这种超椭圆的公式为
具有超椭圆形曲线形式的腔室上的x、y点可以被限定为以下参数：
在图4b中，限定了辅助中心点J1和J2，这些点是限定圆的中心点，该圆的圆周部分K1、K2限定在侧视图中看到的腔室3的形状。这些圆的半径优选地大小相等，并且大小可以介于500mm与2000mm之间。在这些圆的半径长度不相等的情况下，经常是中心点为J1的圆形的半径最长。
中心点J1、J2是四个圆中心点中的两个中心点，这两个中心点的圆周部分可以根据本发明的实施例限定腔室3的侧视图形状。
图4b中示出的圆部分K1和K2是细长圆的部分，但是圆形圆还可以用来限定腔室3的几何形状。
应当说明的是，尽管以上说明涉及上腔室3a和腔室的一端,但是涉及几何形状的同样说明应用于下腔室3b和腔室3的其他端部或“角落”。
图5a在沿着图2的线AA的侧视图中示出隔膜式压缩机1和液压系统10的一部分的理想实施例。如图所示，图5a示出活塞26的移动，活塞20在往复运动中跟随活塞26。相应地，液压流体将跟随活塞26的移动路径，只要其未遇到阻力。因此，通过使得以0度倾斜角在活塞26的移动与端口27的方向之间倾斜的端口9通过下头部13提供了从活塞20经由至少一个端口9朝向入口阀5的由活塞26的移动示出的直线液压流动路径。因此，在本示例中，方向27和26是平行的。这是非常有利的，因为液压流体在向入口阀去和从入口阀来去的路上不存在阻力，这促进增加活塞20的操作速度以及由此具有类似体积和未倾斜端口的压缩机的更高产量。
图5b示出根据本发明的压缩机的另一个实施例，该压缩机的端口9相对于活塞26的移动以不同于90度的角度25倾斜。如此处可见，活塞26的移动与端口9之一或全部之间的倾斜角25介于5度与30度之间、优选地介于10度与20度之间。倾斜端口9按照非理想方式来实施更便宜并且仍是非常有益的，因为这将现有技术角度从90度减小到30度，并且由此减少了流体在从活塞朝向入口开口5的路上需要绕过的“角落”。
根据优选实施例，压缩机被定向为使得活塞20在水平面26上移动。这意味着在优选实施例中，压缩机头2以及因此其端口9相对于水平面以角度25倾斜。优选地，角度25介于5度与40度之间，并且已经证明该角度为15度是合适的。因此，在本发明的优选实施例中，压缩机1被构建为使得活塞26的方向移动与端口9中的至少一个成15度的角度25。
应当注意，端口9可以改变，只要倾斜角可以最大程度地优化液压流，并且这还可以改变端口通过下头部13的长度。通过计算并且根据隔膜4的期望移动，可以将端口9设计为使得液压流体按照波浪式移动从腔室3具有入口5的一侧朝向腔室3具有出口阀6的一侧移动。这是有利的，因为通过隔膜4的这种波浪式移动，气态流体被迫使跟随入口阀5与出口阀6之间的预定流动路径11。这促进了速度增加，因为预定流动路径11内不存在或者仅存在有限的阻力，并且不会像圆形腔室那样产生扰动流动。另外，这促进了非对称冷却，因为气态流体在出口阀6周围将具有最高温度。
如可以从以上内容理解的，改善了液压流体和气态流体在根据本发明的压缩机中的动力学。以下详细阐述改善的动力学。为了理解本发明的压缩机头2的改善的动力学，可以首先看一下圆形隔膜式压缩机头的动力学。
关于气体动力学，本领域已知的是在吸入冲程期间尽可能早地打开入口单向阀开口并且为气体流入压缩机头提供足够的空余区域是非常重要的。用来在传统的圆形隔膜式压缩机头中实现这一点的方法将入口气体端口定位成靠近压缩机头的中心。这在压缩机腔室中提供了最大的深度，并且因此提供了将气体引入压缩机腔室的流动区域。结合这一点，应当按照首先在腔室的中心处向下拉动隔膜的方式来定向液压流体。
另外，关于圆形隔膜式压缩机头的气体动力学，本领域中已知的是在排出或压缩冲程期间排空来自压缩腔室的所有气体以实现最高体积效率非常重要。因此，排出气体端口被直接放置在压缩腔室的中心处，以允许腔室中的气体排出的最短路径。
另外，在从压缩腔室排空所有气体之前使得隔膜不覆盖排出气体端口以实现最大体积效率非常重要。
由于工作液体流转移离开其线性的路径，压缩腔室内发生的这些情况导致气体阻力增加。隔膜移动的这种增加的流动阻力和微妙的动力学对压缩机的操作速度施加了令人不快的限制。
因此，本文档中描述的压缩机头2被设计为使得入口和排出气体端口5、6以距离R远离彼此，以允许相对于入口和排出气体端口5、6独立地操纵隔膜4的移动以及在压缩机的冲程内的位置。
一旦入口和排出气体端口5、6分隔开如上所述的显著距离R，液压流体动力学可以被专门地操纵，以在吸入冲程刚开始时将隔膜4驱动远离入口气体端口5并且还在排出或压缩冲程刚开始时将隔膜4朝向入口气体端口5驱动。
除了本发明的压缩机头2的设计之外，液压流体可以被操纵为使得直至压缩冲程结束时才覆盖排出气体端口5。通过这样做，压缩腔室3a可以在吸入冲程期间被气体填充到最大水平，并且所有气体可以在压缩冲程结束时从压缩腔室3a排出。
入口和排出气体端口的上述分割时通过细长压缩腔室3的设计实现的，其方式为使得压缩腔室3a的最深部分在长度R上延伸，而不是在单个点处发生。
入口气体端口5位于细长腔室3的平面F中的直线剖面的一端，而排出气体端口6位于细长空腔3在平面F中的直线剖面的相对端。细长腔室3的设计结合了驱动液压流体的在入口气体端口5端部处附接到下部腔室3b的机械活塞。
另外，当压缩机头2以及由此还有端口9与活塞的移动并且由此与液压流体路径26成适当的角度(即倾斜角25)时，液压流体具有到入口气体端口5的基本上线性的路径26并且具有到排出气体端口6的转移路径28。由于液压流体总是在压缩周期过程中具有到入口气体端口5的基本上线性的路径26，大部分液压流体流过下部压缩机头13的这个剖面，并且因此流动阻力显著地减小，促进了隔膜式压缩机1的更高速度操作。
另外，应当说明的是，这也是隔膜4在细长腔室3中的波浪式移动的主要原因。
隔膜4可以由多个单独的片层(未示出)制成。在本发明的优选实施例中，隔膜4由三个单独的堆叠片层制成。说明性地，中间和上部片层位于下部压缩机头13(也被称为油板)的顶部。在上部片层的顶部，上头部12(也被称为气板或工艺板)被放置并且然后优选地通过螺栓固定到下头部13。
隔膜片层可以由金属或合金制成。在本发明的优选实施例中，这些片层由镍基合金718(原材料)制成，这种合金是具有高拉伸和疲劳强度并且对氢气耐受的高温镍合金。
优选的是，两个连续片层的原材料不是直接接触，即理解为片层的所有涂覆表面在没有润滑的情况下都不物理接触。
因此，优选的是，这些片层的至少一侧被涂覆。因此，上部片层的上侧优选地涂覆有类金刚石涂层(也被称为DLC气相沉积)。中间和下部片层的至少一侧根据实施例优选地涂覆有氮化铬。
下部片层的下侧无需涂覆，因为液压流体(诸如油)在下侧中有润滑。另外，如果中间片层涂覆有银涂层(在上侧和下侧上)，则完全无需涂覆下部片层。
相应地，存在待用不同涂层涂覆的片层侧的各种组合，以避免片层的原材料彼此物理接触。应当说明的是，上述原材料和涂层可以是合适的。
现在转向图6，示出了将冷却通道15放置在上头部12中的示例。由于上述从入口5到出口阀6的受控流动路径11，冷却通道可以被放置为以最低温度尽可能靠近出口阀6进入上头部12。这是有利的，因为气体在出口阀6区域处的温度时最高的。
图6仅示出了定位冷却通道的一种方式，但是明显地，可以按照各种不同的形式定位冷却通道。优选地，实现上头部12的非对称冷却，其中出口阀6周围区域处的冷却增加。这是非常有利的，因为本发明的压缩机头2的效率增加导致在压缩过程(即压缩机1的操作)期间将尽可能多的热量移除的要求增加。
已知的是，压缩腔室3a内的气体用来尽可能靠近热源来中断边界层和冷却通道15的高表面积与体积比、高速度对于促进最大热传递是有益的。
记住这一点以及圆形压缩机头设计的气体动力学，明显的是，在圆形压缩机头设计中，气体以变化的速度在压缩腔室内扰动，这是由于入口和排出气体端口都位于压缩机头的中心处。气体的这种扰动不会产生可以冷却热气的限定性通道，并且也不会提供将减小到气体与压缩机头之间的热传递的边界(边界层)的高气体速度。
同样，此时，本发明的细长压缩腔室3a是有利的，因为入口和排出气体端口5、6以可观的速度按照预定的流动路径11将气体从细长腔室3a的一端指引到另一端。入口和排出气体端口5、6的分开现在允许将冷却通道15定位在端口4、5之间并且更彻底地围绕排出端口6。这是有益的，因为通过这种设计，可以在气体接近排出气体端口6时集中精力冷却压缩的并且因此热的气体，由此获得非对称冷却并且维持较高的表面积与体积比。
现在转向图7，示出了加氢站18，该加氢站包括本文档中描述的隔膜式压缩机1，优选地包括权利要求书中所述的一个或多个特征。另外，加氢站18包括第一氢气储存装置29和第二氢气储存装置30。隔膜式压缩机1可以在加氢站中用于若干目的，诸如确保压力水平高于第二氢气储存装置30内的某个阈值，例如介于50与100MPa之间，促进按照介于例如50与85MPa之间的压力为车辆加氢，协助将氢气从可运输的储存装置移动到第一储存装置29或第二储存装置30等等。
作为示例，在加氢站中使用的压缩机1的能量消耗介于10kW与80kW之间，并且这种压缩机的重量高于800kg。
加氢站18当然还可以包括未示出的控制单元、压力或温度传感器、阀、附加氢气储存装置等等，以能够在加氢站18处为车辆加氢。
应当说明的是，隔膜4可以被夹持到压缩机头2或者在腔室3内上下移动时在上头部12与下头部13之间滑动。
另外，隔膜4中的冯·米塞斯应力被仔细地控制并且优选地限制到例如200MPa的阈值。这是通过压缩腔室3的成形实现的，其方式为能够基本上相等地将应力分布通过腔室3。考虑到经历来自其他因素(诸如摩擦或弯曲)的应力的区域，并且考虑所有因素的总应力于是相等，以最大化隔膜4的寿命。最终地，这意味着通过高容差和精度机加工过程对压缩腔室3机加工。
因此，在本文档中明显的是，本发明至少具有以下增加压缩腔室3的体积的优点，而不会不适当地增加所需的夹紧力，在入口5与出口6之间的确定流动路径11的更好气体流动改善了热传递，并且定位在端口5、6之间并且围绕排出端口6的更好的冷却通道使得部件的效率和寿命增加并且促进更高的速度。应当说明的是，尽管在本说明书中仅提及了用于驱动活塞20以及因此隔膜4的液压系统10，本发明还将可以在液压系统10由非液压系统替换的情况下工作。非液压系统可以是任何可用的动力，包括机械系统或磁系统。
最终地，应当说明的是，尽管本文档中的隔膜式压缩机1是结合高压力(诸如高于10MPa的压力)和高速度(诸如高于每分钟500转)描述的，但是该压缩机还可以完美地在低于这些限制的压力和速度下操作。
参考标记列表
1.隔膜式压缩机
2.压缩机头
3.长形腔室
a.上腔室
b.下腔室
4.隔膜
5.入口单向阀、入口阀、入口开口
6.出口单向阀、出口阀、出口开口
7.第一气体系统
8.第二气体系统
9.端口
10.液压系统
11.预定流动路径
12.上头部
a.上头部的内表面
13.下头部
a.下头部的内表面
14.平面E与端口9之间的角度
15.冷却通道
16.上密封圈
17.下密封圈
18.加氢站
19.泄露检测装置
20.活塞
21.未使用
22.液压流体入口
23.液压流体出口
24.未使用
25.倾斜角
26.活塞的移动/液压流动路径
27.入口/出口开口方向
28.转移液压流动路径
29.第一氢气储存装置
30.第二氢气储存装置
31.车辆
A.限定腔室3的长度方向上的第一端点的点
B.限定腔室3的宽度的第一端点的点
C.限定腔室3的长度方向上的第二端点的点
D.限定腔室3的宽度的第二端点的点
E.限定隔膜4的息止位置的平面
F.限定上腔室3a中的阀5、6的位置的平面
G.限定包括入口阀5的开口的中心的点
H.限定包括出口阀6的开口的中心的点
I.限定上隔室3a的深度的端点的点
J.限定点D与C之间的直角的辅助点
K.到腔室3的“角落”的距离
R.限定点G与H，即阀5、6的中心之间的长度的距离
S.限定点A与G之间的长度的距离，即入口阀5距腔室3的第一端点的位置
T.限定点C与H之间的长度的距离，即出口阀6距腔室3的第二端点的位置
X.在点A与C之间测量的腔室3的长度
Y.在点B与D之间测量的腔室3的宽度
Z.在平面E与点I之间测量的腔室3的深度

Claims (25)

1.一种用于将气态流体加压到至少10MPa压力的高压隔膜式压缩机(1)，所述压缩机(1)包括具有长形的腔室(3)的压缩机头(2)。
2.根据权利要求1所述的压缩机(1)，其中，所述腔室(3)由所述压缩机头(2)的上头部(12)和下头部(13)限定，
其中，所述腔室3包括由隔膜(4)分开的上腔室(3a)和下腔室(3b)，
其中，所述上头部(12)包括促进所述上腔室(3a)与第一气体系统(7)之间的流体连接的入口阀(5)，
其中，所述上头部(12)包括促进所述上腔室(3a)与第二气体系统(8)之间的流体连接的出口阀(6)，
其中，所述下头部(13)包括促进所述下腔室(3b)与液压系统(10)之间的流体连接的多个端口(9)，
其中，所述液压系统(10)包括通过液压流体的循环来促进在所述腔室(3)内移动所述隔膜(4)的活塞(20)，并且
其中，所述压缩机(1)还包括检测从所述腔室(3)泄露气态流体或液压流体的泄露检测装置(19)。
3.根据权利要求1或2所述的压缩机，其中，所述上腔室(3a)的深度Z与宽度Y之比介于1:10(Z:Y)与1:100之间、优选地介于1:25与1:85之间、最优选地介于1:45与1:75之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机，其中，所述腔室(3)的宽度Y与长度X之比至少是1:1,2(Y:X)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机，其中，所述入口阀(5)和所述出口阀(6)都位于所述上头部12内的平面F中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机，其中，包括所述入口阀(5)的开口的中心G与包括所述出口阀(6)的开口的中心H之间的距离R是所述腔室(3)的长度X的至少35％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机，其中，所述长形是椭圆形，优选的是超椭圆形。
8.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机，其中，所述活塞(26)的移动方向与所述多个端口(9)中的至少一个的方向之间的倾斜角(25)小于90度，优选地小于45度，最优选地小于30度。
9.根据权利要求8所述的压缩机，其中，所述液压流体(26)从所述液压系统(10)的压缩腔室朝向所述入口阀(5)的流动路径是基本上线性的。
10.根据权利要求8和9所述的压缩机，其中，所述液压流体在冲击所述隔膜(4)的纵向方向的第二端之前冲击所述隔膜(4)的纵向方向的第一端。
11.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机，其中，所述上头部(12)包括冷却通道(15)，所述冷却通道将冷却剂从所述出口阀(6)周围的区域引导朝向预定流动路径(11)的方向、朝向所述入口阀(5)。
12.根据权利要求11所述的压缩机，其中，至少一个冷却通道(15)在所述入口阀(5)与所述出口阀(6)之间是线性的。
13.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机，其中，所述上头部(12a)的内表面和/或所述下头部(13a)的内表面和/或所述隔膜(4)通过物理气相沉积涂覆有涂层。
14.根据权利要求13所述的压缩机，其中，所述涂层是无定形碳涂层。
15.根据权利要求13和14所述的压缩机，其中，所述无定形碳涂层是类金刚石碳。
16.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机，其中，所述隔膜(4)由多个单独堆叠的片层、优选地三个片层制成。
17.根据权利要求16所述的压缩机，其中，所述片层由镍基合金718制成。
18.根据权利要求16-17中任一项所述的压缩机，其中，至少所述多个堆叠片层中的上片层的一侧和中间片层的一侧是涂覆的。
19.根据权利要求18所述的压缩机，其中，所述涂层是通过物理气相沉积或浸渍制备的，并且选自以下各项：类金刚石涂层、氮化铬涂层、银涂层。
20.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机，其中，所述隔膜(4)是滑动隔膜。
21.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机，其中，所述上腔室(3a)内的压力高于70MPa，并且其中，所述上头部(12)和所述下头部(13)通过多个螺栓连接。
22.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机，其中，所述液压系统(10)的所述活塞(20)配置成在高于600rmp下工作。
23.根据前述权利要求中任一项所述的压缩机，其中，所述气态流体是低密度气体，优选地是氮气。
24.根据权利要求1-23中任一项所述的压缩机在加氢站(18)中的用途。
25.一种加氢站18，包括第一氢气储存装置(29)和第二氢气储存装置(30)以及压缩机(1)，所述压缩机具有长形腔室(3)并且将处于所述第一氢气储存装置(29)的第一压力下的氢气移动到所述第二氢气储存装置(30)内的第二压力。
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