DE102006047657A1

DE102006047657A1 - Mehrstufiger Verdichter

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Publication number: DE102006047657A1
Application number: DE102006047657A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Bäumer; Dirk Dipl.-Ing. Grulich; Herbert Dr.-Ing. Wiegand
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-10-09
Publication date: 2007-09-13
Also published as: WO2007101768A1; EP1991776A1; US20090220357A1

Abstract

Um Gas an Gastankstellen mit hohem Druck zur Verfügung zu stellen, ist ein mehrstufiger Verdichter vorgesehen, der aus einem Hochdruckverdichter (HD) und einem mehrstufigen Vorverdichter (VV) besteht. Beide Verdichter weisen Membranpumpenkammern auf, die von Nockenwellen gesteuert sind. Der Vorverdichter (VV) kann mehrere Vorverdichterstufen (S₁, S₂, S₃) enthalten, wobei die Kammern jeder Stufe zu Gruppen (G₁, G₂, G₃) zusammengefasst sind. Die Kammern einer Gruppe werden synchron und phasengleich betrieben. Die Kammern von zwei aufeinanderfolgenden Stufen werden gegenphasig zueinander betrieben. Die Anzahl der Kammern einer Gruppe ist etwa gleich dem Druckverhältnis π, so dass die Größe der Kammern standardisiert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Verdichter zum Verdichten von Gasen und insbesondere einen Membranverdichter für ein Gasbetankungssystem zum Betanken eines mit Erdgas, Methan oder ähnlichen Gasen sowie mit Wasserstoff betriebenen Kraftfahrzeugs.

Problematisch bei Gasen als Energiespeicher im Kraftfahrzeug ist ihr im Vergleich zu flüssigen Energieträgern bei Erdgas um drei Zehnerpotenzen höherer Speichervolumenbedarf bei Umgebungsbedingungen. Deshalb hat man festgelegt, Erdgas mit einem Druck von 250 bar an den Tankstellen zur Verfügung zu stellen, damit ein nach den technischen Regeln vorgegebener Druck von 200 bar im Druckgasbehälter eines Fahrzeugs bei einer Bezugstemperatur von 15°C erreicht und auch nicht überschritten wird. Damit muss wenigstens nur ein etwa 3-faches Speichervolumen im PKW zur Verfügung gestellt werden im Vergleich zum Benzinfahrzeug.

Bei Gasbetankungsanlagen für die Direkt-Betankung mit einem Verdichter führt die Verdichtung zu einer unerwünschten Erwärmung des Gases, die sich um so stärker auswirkt, je größer das Stufendruckverhältnis π ist. Um den angestrebten Enddruck zu erreichen, lässt sich durch Erhöhung der Stufenzahl das Druckverhältnis π reduzieren.

Bei Gasbetankungsanlagen führt die aufzubringende Einschiebearbeit zu einer Erwärmung des Gases im Druckgasbehälter. Der Joule-Thomson-Effekt (Temperaturänderung des Gases durch Drosselung) des realen Gases wirkt dieser Erwärmung im allgemeinen entgegen. Jedoch nur unter sehr günstigen Bedingungen, d. h. bei ausreichend niedriger Temperatur, reicht der Joule-Thomson-Effekt und die Wärmeabgabe an die Umgebung aus, um die durch die Einschiebearbeit des Gases verursachte Erwärmung zu kompensieren. Sind diese günstigen Bedingungen nicht gegeben, so kommt es in Gasbetankungsanlagen ohne Kühlvorrichtung beim Umfüllen oder einer Direkt-Betankung zu einer Unterfüllung des Druckgasbehälters. Der Grund hierfür ist, dass sich durch die Einschiebearbeit eine hohe Temperatur und damit ein entsprechend hoher Druck im Druckgasbehälter einstellt, was die zur Verfügung stehende Druckdifferenz für die Befüllung so stark erniedrigt, dass der Betankungsvorgang lange dauert und daher abgebrochen wird, bevor der Druckgasbehälter die nach den technischen Regeln mögliche Gasmasse enthält.

DE 197 05 601 A1 beschreibt ein Erdgas-Betankungsverfahren ohne Kühlung des Gases, bei dem der Betankungsvorgang des Druckgasbehälters so lange durchgeführt wird, bis der Druck in der Leitung zum Druckgasbehälter einen Höchstdruck überschreitet. Eine andere Möglichkeit sieht vor, dass der Betankungsvorgang abgebrochen wird, wenn der Massenstrom einen Grenzwert unterschreitet.

WO 97/06383 A1 beschreibt ein Gas-Ladesystem für Hochdruckflaschen. Die Kühlung des Gases erfolgt hier durch Spülung der zu füllenden Hochdruckflasche, wodurch zwei Anschlüsse für Vor- und Rücklauf benötigt werden. Im Spülkreislauf wird das Gas durch einen Wärmetauscher oder durch Vermischen mit dem Gas im Vorratsbehälter gekühlt.

EP 0 653 585 A1 gibt ein System zur Betankung eines Druckgasbehälters an. Darin wird die Durchführung eines Prüfstoßes beschrieben und zu dessen Auswertung die thermische Zustandsgleichung für das reale Gas herangezogen. Es wird auch ein Umschalten auf Vorratsbehälter mit höherem Druck (Mehrbankverfahren) während der Betankung beschrieben. Der Betankungsvorgang erfolgt intermittierend. Es ist keine Kühlvorrichtung für das Gas vorgesehen.

DE 102 18 678 B4 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei dem das Gas zum Befüllen des Druckgasbehälters aus einem unter hohem Druck stehenden Vorratsbehälter über ein Wirbelrohr als Kühlvorrichtung geleitet wird. Das Wirbelrohr nutzt den bestehenden Druckunterschied im Betankungssystem aus, um den Gasstrom in einen Heißgasstrom und Kaltgasstrom zu teilen. Letzterer wird dann dem Druckgasbehälter zugeführt.

Auch die DE 10 2005 006 751 A1 gibt eine Vorrichtung an, bei welcher mit Hilfe eines Wirbelrohres eine Temperaturabsenkung von Gasen verwirklicht wird, ohne dass eine Trennung in einen Heißgasstrom und Kaltgasstrom erfolgt.

Die Funktionsweise der beiden zuletzt genannten Verfahren und Vorrichtung basiert darauf, dass das Gas bei einem überkritischen Druckverhältnis einem Drallerzeuger zugeführt wird, der achsial zwischen zwei Rohren angeordnet ist, die einen unterschiedlichen Eintrittsdurchmesser haben. eine Temperaturabsenkung von Gasen mit einem Wirbelrohr gelingt dann und nur dann, wenn überkritische Druckverhältnisse vorliegen. Bei einem kritischen Druckverhältnis für Erdgas von 1/π* < 0,5427 und einem Druck im Vorratsbehälter von p_v = 250 bar, der in der Regel unterschritten wird, wenn mehrere Fahrzeuge kurz hintereinander betankt werden, ist ein unterkritischer Zustand erreicht, wenn im Druckgasbehälter der Druck auf p_D = 135 bar angestiegen ist. Das bedeutet, dass beim Befüllen eines Druckgasbehälters mit Erdgas im Druckbereich zwischen p_D = 135 bar bis p_D = 200 bar unter den, durch die technischen Regeln vorgegebenen Voraussetzungen, durch den Einsatz eines Wirbelrohres keine Temperaturabsenkung des Gases mehr zu erzielen ist.

In WO 01/27475 A1 ist ein mehrstufiger Membranverdichter in Sternbauweise beschrieben, bei dem die Verdichterkammern sternförmig um eine Kurbelwelle herum angeordnet sind. Die Verdichterkammern bilden die einzelnen Stufen eines mehrstufigen Verdichters und sie haben daher unterschiedliche Volumina. Auf diese Weise können hohe Verdichtungsverhältnisse realisiert werden, allerdings unter Erzeugung erheblicher Kompressionswärme.

Eine Direkt-Betankung unabhängig von Tankstellen ist dort angebracht, wo sich die Errichtung von öffentlich zugänglichen Erdgastankstellen nicht lohnt. Fahrzeuge könnten dort betankt werden – und zwar nicht nur die des Individualverkehrs – wo sie sich während ihrer Stillstandszeit befinden. Dies kann in Industrieparks, Garagen oder Car Boards sein. Sehr viele Haushalte bzw. Gebäude haben Erdgas zu Heizzwecken zur Verfügung. Dieses Erdgas kann in der Garage mit Hilfe eines Kompressors (Erdgasverdichters) während der Nacht vom üblichen Erdgasnetzdruckniveau von 50 mbar auf 200bar bei einer Referenztemperatur von 15°C komprimiert werden. Damit kann ein Kraftfahrzeug betankt werden.

Eine weitere Möglichkeit, ein derartiges Betankungssystem einzusetzen, wird in der Landwirtschaft gesehen, wo Biogas in großen Mengen anfällt. Anstelle dieses Biogas in ein öffentliches Gasnetz einzuspeisen, könnte dieses an Ort und Stelle verdichtet und zum Betreiben von landwirtschaftlichen Fahrzeugen und Maschinen genutzt werden. Dadurch wäre es zukünftig möglich, den Biodiesel in der Landwirtschaft zu ersetzen. An diesen Verdichter ist u. a. die Forderung zu stellen, dass der Kompressor so beschaffen sein muss, dass eine volle Betankung in einer Nacht (ca. 8 Stunden) bei 200 bar und einer Referenztemperatur von 15°C möglich ist.

Das Hauptproblem eines mehrstufigen Hochdruckverdichters ist die Erwärmung des Gases zwischen den einzelnen Verdichterstufen und die Kühlung des Gases am Verdichteraustritt, das bei Eintritt in den Druckgasbehälter während der Betankung zu keinem Zeitpunkt 60°C überschreiten darf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mehrstufigen Verdichter so auszubilden, dass es möglich ist, durch Direkt-Betankung einen Druckgasbehälter so zu befüllen, dass ein nach den technischen Regeln vorgegebener Grenzwert des Druckes im Druckgasbehälter bei einer vorgegebenen Grenztemperatur erreicht wird.

Der erfindungsgemäße mehrstufige Verdichter ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Hiernach ist dem Hochdruckverdichter ein Vorverdichter vorgeschaltet, der mindestens eine Vorverdichterstufe aufweist, wobei jede Vorverdichterstufe mehrere Kammern enthält, die zu mindestens einer Gruppe zusammengefasst sind, und wobei die Kammern einer Gruppe gemeinsam und synchron angetrieben sind.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass bei einem Hochdruckverdichter in Membranbauweise zur Reduzierung des Druckverhältnisses nicht die Stufenzahl des Hochdruckverdichters erhöht werden sollte, sondern dem Hochdruckverdichter ein ein- oder mehrstufiger Vorverdichter vorgeschaltet werden sollte.

Durch einen solchen Vorverdichter lässt sich nicht nur das Druckverhältnis π im Hochdruckverdichter absenken, sondern – ohne die Abmessungen des Hochdruckverdichters zu verändern – auch der Massendurchsatz proportional zur Erhöhung des Vordruckes steigern. Durch die Kombination eines Vorverdichters mit einem Hochdruckverdichter – beide in Membranbauweise ausgeführt – kann ein Gasbetankungssystem erstellt werden, das bzgl. seines Massendurchsatzes (Betankungszeit) den unterschiedlichsten Anforderungen entgegen kommt. Erreicht wird dies durch einen ein- oder mehrstufigen Vorverdichter, wenn dessen Membranabmessungen mit den Abmessungen der Membran der ersten Stufe des Hochdruckverdichters identisch sind. Dies ist unabhängig von der Anzahl der Stufen der Fall, wenn für das Druckverhältnis π im Vorverdichter ein ganzzahliger Wert π = 2, 3, 4 ... gewählt wird.

Die Erfindung ermöglicht es, standardisierte Mehrfach-Membranenpumpen zu verwenden. Dabei können sogar die Größen der Pumpenkammern der verschiedenen Stufen untereinander gleich sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, in einer Pumpvorrichtung mit sternförmig angeordneten Pumpenkammern die Pumpenkammern auswechselbar zu machen, so dass Pumpenkammern unterschiedlicher Größen verfügbar sind, die wahlweise in der Pumpvorrichtung montiert werden können.

Bei einer Direkt-Betankung ist es mit einem mehrstufigen Vorverdichter möglich, bis zum Füllende eines Druckgasbehälters bei einem Behälterdruck von 200 bar ein überkritisches Druckverhältnis aufrecht zu erhalten. Dies ermöglicht, wie in DE 10 2005 016 114 A1 bereits ausführlich beschrieben, durch Einsatz eines Wirbelrohres oder mit Hilfe eines Eindüselements entsprechend DE 100 31 155 C2 oder nur durch adiabate Drosselung, die Gastemperatur abzusenken, dass eine Temperaturerhöhung durch die Einschiebearbeit ausgeglichen werden kann. Auf diese Weise kann auch bei einer Direkt-Betankung, unabhängig von der Umgebungstemperatur, eine Befüllung mit einem Behälterdruck von 200 bar einer Referenztemperatur von 15°C realisiert werden.

Ist der Hochdruckverdichter erfindungsgemäß ebenfalls als Membranverdichter ausgeführt, so kann dieser mit derselben Drehzahl über eine gemeinsame Welle mit dem vorgeschalteten Membranvorverdichter betrieben werden.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei sehr großen Gasvolumenströmen die erste und die folgenden Stufen des Vorverdichters in mehrere Membrankammern unterteilt werden, wenn aus materialtechnischen Gründen der für einen großen Volumenstrom erforderliche Membrandurchmesser nicht ausführbar ist. So kann beispielhaft bei einem einstufigen Vorverdichter mit einem Druckverhältnis π = 2 die erste Stufe des Hochdruckverdichters mit dem doppelten Gasmassenstrom beliefert werden, gegenüber einem Hochdruckverdichter, der ohne Vorverdichter betrieben wird. Um dies zu erreichen, muss der Vorverdichter mit zwei Membrankammern ausgestattet sein, die dieselben Abmessungen haben wie die erste Stufe des Hochdruckverdichters. Je nach der Größe des im Vorverdichter zu erzeugenden Vordrucks und dem dazu proportional ansteigenden Gasmassenstrom sind in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Vorverdichters verschiedene Variationen möglich, die im Folgenden anhand einer einfachen mathematischen Betrachtung erläutert werden.

Legt man die geometrische Reihe 1 + x + x2 + x3 + xn (1)zu Grunde, in der der Quotient zweier aufeinander folgender Glieder konstant ist und im vorliegenden Falle mit der Größe x das Druckverhältnis π und mit dem Exponenten π die Anzahl der Membrankammern pro Stufe beschrieben wird, so dass sich die obige Gleichung in der folgenden Form 1 + π + π2 + π3 + πn (2) darstellen lässt. Aus Gleichung (2) ergibt sich für ein Druckverhältnis von

wobei bei der praktischen Ausführung zunächst nur die in der folgenden Tabelle aufgeführten Kombination zu realisieren sind.

Bei einem Druckverhältnis von π = 2 müssen die beiden Membrankammern der letzten Stufe des Vorverdichters in den Abmessungen mit der ersten Stufe des nachgeschalteten Hochdruckverdichters in Membranbauweise übereinstimmen. Für ein Druckverhältnis von π = 3 gilt dies für die drei Membrankammern und für ein Druckverhältnis von π = 4 für die vier Membrankammern der letzten Stufe des Vorverdichters.

Unter der Voraussetzung, dass der Vorverdichter mit derselben Drehzahl betrieben wird wie der nachgeschaltete Hochdruckverdichter in Membranweise und der Hub in den einzelnen Membrankammern derselbe ist wie der Membranhub in der ersten Stufe des Hochdruckverdichters, dann lässt sich nachweisen, dass der Durchmesser der Membrankammern stets dem Membrandurchmesser der ersten Stufe des Hochdruckverdichters entspricht. Das Druckverhältnis π muss stets der Anzahl z der Membrankammern/Stufe entsprechen und eine ganze Zahl π = 2, 3, 4 sein, die unabhängig von dem Stufendruckverhältnis π_HD im Hochdruckverdichter ist.

Für einen einstufigen Vorverdichter mit dem Druckverhältnis π = 4, einem Durchmesser D₁ und
4 Membrankammern in der 1. Stufe: z₁ = 4
lässt sich zeigen, dass

ist.

Hierin ist V₁ das Volumen der 1. Stufe, D₁ der Durchmesser der 1. Stufe des Vorverdichters, HD₁ der Durchmesser der ersten Stufe des Hochdruckverdichters, V_HD1 das Volumen der 1. Stufe des Hochdruckverdichters, D_HD1 der Durchmesser der 1. Stufe des Hochdruckverdichters, z_n ist die Anzahl der Membranpumpen in der Stufe π.

Für einen zweistufigen Vorverdichter mit dem Druckverhältnis π = 3, Einem Durchmesser D₁ und
9 Membrankammern in der 1. Stufe, z₁ = 9
3 Membrankammern in der 2. Stufe, z₂ = 3
erhält man

und einen dreistufigen Vorverdichter mit dem Druckverhältnis π = 2, einem Durchmesser D₁ sowie
8 Membrankammern in der 1. Stufe, z₁ = 8
4 Membrankammern in der 2. Stufe, z₂ = 4
2 Membrankammern in der 3. Stufe, z₃ = 2
erhält man

Ein besonderer Vorteil eines in dieser Weise ausgebildeten Vorverdichters wird darin gesehen, dass bei der Unterteilung der Stufen in einzelne Membrankammern sich kostsparend gleiche Bauteile verwenden lassen. Dies sind als wesentliche Teile des Vorverdichters die Membranen der Membrankammern, die alle dieselben Abmessungen haben wie die Membran der ersten Stufe des nachgeschalteten Hochdruckverdichters in Membranbauweise. Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin, dass die Abmessungen der Membran bzw. der Membrankammern unabhängig von dem Druckverhältnis, dem Volumendurchsatz und dem angestrebten Ausgangsdruck des Vorverdichters sind. Gemäß der Erfindung ist es weiterhin möglich, durch einen Vorverdichter das Fördervolumen eines Hochdruckverdichters in Membranbauweise wahlweise zunächst um das zwei- bis neunfache gegenüber einem Betrieb ohne Vorverdichter zu steigern.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Mehrkammer-Membranpumpe mit sternförmig um eine Nockenwelle herum angeordneten Membrankammern,
2 ein Ausführungsbeispiel eines Verdichters aus Vorverdichter und ein- oder mehrstufigem Hochdruckverdichter in Membranbauweise,
3 einen schematischen Überblick über den Aufbau und die Aufteilung der Membrankammern bei einem Verdichter mit einstufigem Vorverdichter und einstufigem Hochdruckverdichter,
4 ein Ausführungsbeispiel mit zweistufigem Vorverdichter und einstufigem Hochdruckverdichter,
5 ein Ausführungsbeispiel mit dreistufigem Vorverdichter und einstufigem Hochdruckverdichter,
6 eine schematische Darstellung der Nockenwelle bei einem einstufigen Vorverdichter,
7 eine Ansicht der Nockenwelle bei einem zweistufigen Vorverdichter und
8 eine Ansicht der Nockenwelle bei einem dreistufigen Vorverdichter.
In 1 ist eine Membrankammerpumpe 50 schematisch dargestellt. In einem Gehäuse 51 ist eine Nockenwelle 52 gelagert, die mehrere sternförmig um die Nockenwelle herum angeordnete Membranpumpenkammern 53 steuert. Jede Membranpumpenkammer 53 ist durch eine flexible Membran 54 begrenzt, die zwischen zwei Endstellungen bewegbar ist. Die Membranpumpenkammer 53 weist eine Einlassleitung 64 mit einem Rückschlagventil 55 und eine Auslassleitung 66 mit einem Rückschlagventil 57 auf. Durch die Einlassleitung 64 wird Gas angesaugt und durch die Auslassleitung 66 wird das komprimierte Gas ausgestoßen.
Die Bewegung der Membran 54 erfolgt durch ein Flüssigkeitspolster 58, das in einem Zylinder 59 enthalten ist, in dem ein Kolben 60 bewegbar ist. Eine Feder 61 drückt den Kolben 60 gegen ein Kugellager 62, das auf der Nockenwelle 52 sitzt und einen Exzenter für den Antrieb des Kolbens bildet. Der Kolben 60 führt eine Linearbewegung in dem Zylinder 59 aus, wodurch über das Flüssigkeitspolster 58 die Membran 54 zwischen ihren Endstellungen bewegt wird.
In 1 sind außer dem Kugellager 62 noch weitere Kugellager auf der Nockenwelle 52 dargestellt. Diese dienen zur Betätigung der übrigen Membrankammern, die sternförmig um die Nockenwelle herum angeordnet sind.
Das Flüssigkeitspolster 58 wird durch eine (nicht dargestellte) Pumpvorrichtung mit Flüssigkeit versorgt bzw. gefüllt gehalten, die ebenfalls von der Nockenwelle angetrieben wird.
In 2 ist ein Verdichter dargestellt, der aus einem Vorverdichter VV und einem Hochdruckverdichter HD besteht. Der Vorverdichter besteht aus dem in 1 dargestellten Mehrfach-Membranverdichter. Er weist vier Membranpumpenkammern 11, 12, 13, 14 auf, die von derselben Nockenwelle gesteuert werden. Die Auslassleitungen der Membranpumpenkammern sind in 2 dargestellt. Sie sind mit einem Sammler 70 verbunden, der zu einer Membranpumpenkammer HD1 des Hochdruckverdichters HD führt. Der Hochdruckverdichter ist hier ebenfalls als nockenwellengesteuerte Membranpumpe ausgebildet, wobei die übrigen Membranpumpenkammern als weitere Stufen des Hochdruckverdichters benutzt werden können oder auch für andere Zwecke.
In dem Vorverdichter VV sind alle Membranpumpenkammern 11–14 synchron und gleichphasig gesteuert. Dies bedeutet, dass alle Kammern gleichzeitig ansaugen und das verdichtete Gas gleichphasig ausstoßen. Ebenso sind Vorverdichter VV und Hochdruckverdichter HD miteinander synchronisiert, wobei diejenige Kammer HD1, die das komprimierte Gas des Vorverdichters VV aufnimmt, gegenphasig zum Vorverdichter angetrieben ist. Mit anderen Worten:
Wenn der Vorverdichter Gas ausstößt, muss die Kammer HD1 sich in der Position zum Aufnehmen von Gas befinden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass der Vorverdichter ein Verdichtungsverhältnis von π = 4 hat. Dies bedeutet, dass das gesamte vom Vorverdichter aufgenommene Gas im Vorverdichter auf ein Viertel seines Volumens komprimiert wird. Da andererseits die Volumina von vier Kammern zusammengeführt sind, ergibt sich im komprimierten Zustand das Gasvolumen, das etwa dem Volumen einer der Kammern des Vorverdichters entspricht. Daher hat die das Gas aufnehmende Kammer HD1 des Hochdruckverdichters etwa das gleiche Volumen wie eine der Kammern des Vorverdichters.
3 zeigt den Aufbau eines einstufigen Vorverdichters mit vier Membrankammern, die jeweils ein Druckverhältnis von π = 4 und einen Abgabedruck p_A = 4 bar haben. Die erste Ziffer in den schematisiert dargestellten Membrankammern bezieht sich auf die Verdichterstufe, mit der zweiten Ziffer ist die Anzahl der Membrankammern in der zugeordneten Stufe durchnumeriert. Mit HD1 ist die erste Stufe des nachgeschalteten Hochdruckverdichters bezeichnet, deren Abmessungen mit den einzelnen Membrankammern des Vorverdichters identisch sind.
4 zeigt den entsprechenden Aufbau eines zweistufigen Vorverdichters für ein Druckverhältnis von π = 3 und einen Abgabedruck von p_A = 9 bar, wobei insgesamt zwölf Membrankammern im Vorverdichter zur Anwendung kommen. Schließlich ist in 5 der Aufbau für einen dreistufigen Vorverdichter in Membranbauweise dargestellt. Hierbei wurde ein Druckverhältnis von π = 2 gewählt, womit in der dritten Stufe des Vorverdichters ein Abgabedruck p_A = 8 bar bei insgesamt vierzehn Membrankammern erreicht wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 3 besteht der Vorverdichter VV aus einer einzigen Stufe S₁ mit π = 4 Kammern, wobei das Verdichtungsverhältnis π = 4 ist. Bei dem Ausführungsbeispiel von 4 besteht der Vorverdichter VV aus zwei Stufen S₁, S₂, wobei jede Stufe π = 3 Kammern aufweist, die zu einer Gruppe G₁–G₃ zusammengefasst sind. Bei dem Ausführungsbeispiel von 5 besteht der Vorverdichter VV aus drei Stufen S₁, S₂, S₃, wobei in der ersten Stufe S₁ vier Gruppen von Kammern gebildet sind und jede Gruppe aus n = 2 Kammern besteht. Das Verdichtungsverhältnis π beträgt ebenfalls 2. Auch in der zweiten Stufe sind jeweils zwei Kammern zu einer Gruppe zusammengefasst; desgleichen in der dritten Stufe S₃.
In 6 ist der Querschnitt und die Ansicht der Nockenwelle für einen einstufigen Vorverdichter gezeigt. Durch die exzentrische Form der Nockenwelle, der sich über einen Bereich von 0° bis 180° erstreckt, wie aus dem Querschnitt hervorgeht, werden die einzelnen Membranen in den Membrankammern des Vorverdichters während einer halben Umdrehung der Nockenwelle angesteuert. Die im Zweitaktverfahren betriebenen Membrankammern saugen im ersten Viertel bis zum oberen Totpunkt bei 90° das Gas an und verdichten es, um danach im zweiten Viertel den Ausschiebevorgang einzuleiten, der bei einem Nockenwinkel von 180° abgeschlossen ist. Wie aus der Ansicht hervorgeht, strömt bei einem einstufigen Vorverdichter mit vier Membrankammern das gesamte Gasvolumen in die erste Stufe des nachgeschalteten Hochdruckverdichters. In der Ansicht bezieht sich die erste Ziffer in dem schematisierten Exzenter der Nockenwelle auf die Verdichterstufe im Vorverdichter, mit der zweiten Ziffer wird die laufende Nummer der in der betreffenden Verdichterstufe vorhandenen Membrankammern angegeben.
In 7 ist der Querschnitt und die Ansicht der Nockenwelle am Beispiel eines zweistufigen Vorverdichters dargestellt. Allerdings beginnt hier in der ersten Stufe das Ansaugen und Verdichten des Gases bei einer Nockenwellenstellung von 180°, der obere Totpunkt liegt bei einem Nockenwinkel von 270° und das Ausschieben in die zweite Stufe des Vorverdichters ist bei einem Nockenwinkel von 0° beendet. Der zeitliche Ablauf des Ansaugens der Kompression und des Ausschiebens des Gases in die erste Stufe des nachgeschalteten Hochdruckverdichters erfolgt dann in der zweiten Stufe wie bei dem einstufigen Vorverdichter.
In 8 ist der Ablauf der Steuerung der Membranen in den Membrankammern durch eine Nockenwelle für einen dreistufigen Vorverdichter mit einem niedrigen Stufendruckverhältnis von π = 2 im Querschnitt und in der Ansicht gezeigt. Der Kompressionsvorgang der ersten Stufe beginnt bei einer Nockenwinkelstellung von 0°, wird im oberen Totpunkt bei einem Nockenwinkel von 90° abgeschlossen, worauf sich der Ausschiebevorgang in die zweite Verdichterstufe anschließt, der bei einem Nockenwinkel von 180° beendet ist. Die zweite Verdichterstufe hat ihren oberen Totpunkt bei einem Nockenwinkel von 270°, dem der Ausschiebevorgang in die dritte Verdichterstufe bis zu einem Nockenwinkel von 0° folgt. Diese hat wiederum ihren oberen Totpunkt bei einem Nockenwinkel von 90° und endet mit dem anschließenden Ausschieben der Gasströmung aus den zwei Membrankammern der ersten Stufe des Vorverdichters in die erste Stufe eines nachgeschalteten Hochdruckverdichters. Dieser Vorgang ist bei einem Nockenwinkel von 180° abgeschlossen.
Die von der als Exzenter ausgeführten Nockenwelle zu steuernden Gaskräfte sind in ihrem Massenträgheitsmoment nur bei der zweistufigen Ausführung des Vorverdichters (7) ausgeglichen. Das bedeutet, dass nur bei einer geradzahligen Verdichterstufenzahl das durch die Gaskräfte verursachte Massenträgheitsmoment auszugleichen ist. Bei einer ungeraden Stufenzahl (6 und 8) sind die Gaskräfte einer Stufe, die das nicht auszugleichende Massenträgheitsmoment verursachen, durch ein umlaufendes Gegengewicht an der Nockenwelle auszugleichen.

Claims

Mehrstufiger Verdichter mit einem Hochdruckverdichter (HD), der mindestens eine periodisch angetriebene Membranpumpenkammer (HD1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hochdruckverdichter (HD) ein Vorverdichter (VV) vorgeschaltet ist, der mindestens eine Vorverdichterstufe (S₁–S₃) aufweist, wobei jede Vorverdichterstufe mehrere Kammern (11–14) enthält, die zu mindestens einer Gruppe (G₁–G₄) zusammengefasst sind, und dass die Kammern einer Gruppe gemeinsam und synchron angetrieben sind.
Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) der Kammern einer Gruppe (G₁–G₄) des Vorverdichters (VV) im wesentlichen gleich dem Verdichtungsverhältnis (π) dieser Stufe ist.
Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorverdichter (VV) mindestens zwei Vorverdichterstufen (S₁–S₃) enthält, wobei jede Kammer der zweiten Vorverdichterstufe (S₂) von einer Gruppe (G₁–G₄) von Kammern der ersten Vorverdichterstufe (S₁) gespeist wird.
Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Vorverdichterstufe (S₃) vorgesehen ist, in der jede Kammer von einer Gruppe von Kammern der zweiten Vorverdichterstufe (S₂) gespeist wird.
Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern von einer oder mehreren miteinander synchronisierten Nockenwellen (52) angetrieben sind und dass bei einer halben Umdrehung einer Nockenwelle zwischen 0° und 180° nach dem Zweitaktverfahren ein Ansaugen und Verdichten des Gases in den Kammern (53) erfolgt, welches am oberen Totpunkt bei einem Nockenwinkel von 90° abgeschlossen ist und dem sich ein Ausschieben des Gases bis zu einem Nockenwinkel von 180° in die folgende Stufe anschließt.
Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung des Gases bei mehreren Kammern in einer Stufe des Vorverdichters (VV) zeitlich synchron abläuft und am Ende der Kompression das Gas ebenfalls zeitlich synchron an zwei oder mehr Kammern der folgenden Stufe des Vorverdichters abgegeben wird.
Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das aus zwei oder mehr Kammern der letzten Stufe des Vorverdichters austretende Gas am Ende des Verdichtungshubes in die erste Stufe eines Hochdruckverdichters (HD) eingeleitet wird.
Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Membrankammern (53) des Vorverdichters (VV) so ausgelegt sind, dass Membranen (52) mit gleichem Durchmesser für unterschiedliche Baugrößen eines Membranverdichters, die einen Bereich der mehrfachen Druckerhöhung und Gasförderung abdeckt, verwendbar sind.
Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer geradzahligen Stufenzahl des Vorverdichters (VV) das durch die Gaskräfte verursachte Massenträgheitsmoment ausgeglichen ist.
Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ungeradzahligen Stufenzahl des Vorverdichters (VV) das durch die Gaskräfte einer Stufe verursachte und nicht ausgeglichene Massenträgheitsmoment durch ein umlaufendes Gegengewicht an der Nockenwelle ausgeglichen wird.