DE102013006577A1

DE102013006577A1 - Verdichtungsmaschine mit einem zwischen zwei Umkehrpunkten oszillierenden Körper

Info

Publication number: DE102013006577A1
Application number: DE102013006577.1A
Authority: DE
Inventors: Christoph Nagl
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2014-10-16
Also published as: WO2014169987A1; JP2016515679A; EP2986851B1; EP2986851A1; US20160061195A1; US9644619B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdichtungsmaschine (110), in der ein oszillierender Körper (111) zwischen zwei Umkehrpunkten (U1, U2) oszilliert, wobei durch die oszillierende Bewegung (111a) des oszillierenden Körpers (111) ein Fluid (112) zumindest zum Teil abwechselnd entspannt und verdichtet wird, wobei der oszillierende Körper (111) eine Kolbenkraft (FM) auf das Fluid (112) ausübt, wobei das Fluid (112) eine Fluidkraft (FF) auf den oszillierenden Körper (111) ausübt und wobei eine resultierende Verdichtungskraft (F*) als eine Differenz der Fluidkraft (FF) und der Kolbenkraft (FM) definiert ist. Der oszillierende Körper (111) besitzt eine erste Masse (m1), wobei ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Körpers (111) mit der ersten Masse (m1) um einen vorgegebenen Faktor F geringer ist als ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung eines oszillierenden Referenzkörpers (121) mit einer Referenzmasse (mref) in einer Referenzverdichtungsmaschine (120) gleichen Aufbaus und bei Verwendung desselben Fluids (112), wobei die erste Masse (m1) um einen von dem vorgegebenen Faktor abhängigen Prozentsatz größer ist als die Referenzmasse (mref) und wobei der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers (121) mittels Reduktion einer wirksamen Querschnittsfläche (A) des oszillierenden Referenzkörpers (121) um eben diesen vorgegebenen Faktor F reduziert würde.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdichtungsmaschine, ein Verfahren zur Auslegung der selbigen und eine Verwendung der selbigen, in der ein oszillierender Körper zwischen zwei Umkehrpunkten oszilliert, wobei durch die oszillierende Bewegung des oszillierenden Körpers ein Fluid zumindest zum Teil (dem Ausmaß des Totraumvolumens entsprechend) abwechselnd entspannt und verdichtet wird, wobei der oszillierende Körper eine Kolbenkraft auf das Fluid ausübt, wobei das Fluid eine Fluidkraft auf den oszillierenden Körper ausübt und wobei eine resultierende Verdichtungskraft als eine Differenz der Fluidkraft und der Kolbenkraft definiert ist.
Stand der Technik
Gase haben bei Normbedingungen eine vergleichsweise sehr geringe Dichte. Um ein Gas effizient speichern zu können, ist es notwendig, die Masse des Gases in dem zur Verfügung stehenden Speicherraum zu erhöhen. Eine Erhöhung der Masse eines Gases kann entsprechend der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase für ein konstantes Volumen durch Erhöhung des Gasdrucks oder Reduktion der Temperatur des Gases erfolgen. Eine effektive Speicherung von Gasen wird zumeist mit einer Erhöhung des Gasdrucks realisiert.
Wasserstoff beispielsweise gewinnt immer mehr Bedeutung als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge. Aufgrund begrenzter Isoliermöglichkeiten und dadurch resultierender Verluste des Wasserstoffs in Form von Boil-Off-Gas wird Wasserstoff in Kraftfahrzeugen zumeist in Hochdruckgasspeichern gelagert.
Eine Erhöhung des Gasdrucks kann durch verschiedene Verdichtungsmaschinen realisiert werden, beispielsweise mittels eines Hubkolbenverdichters. Konzeptbedingt sind diesen Verdichtungsmaschinen Grenzen in der maximalen bereitstellbaren Kraft gegeben. Wird die Verdichtungsmaschine beispielsweise mittels eines elektrischen Motors, z. B. eines Linearmotors, angetrieben, so ist die maximale bereitstellbare Kraft durch die maximal erreichbare Antriebskraft des elektrischen Motors beschränkt.
Eine Erhöhung des Gasdrucks geht mit einer Erhöhung einer resultierenden Verdichtungskraft einher. Diese resultierende Verdichtungskraft ist als eine Differenz einer von der Verdichtungsmaschine auf das Gas ausgeübten Kolbenkraft und einer von dem Gas auf die Verdichtungsmaschine ausgeübten Gaskraft definiert.
Eine erhöhte resultierende Verdichtungskraft bedeutet hohe Belastungen und bedingt hohe Anforderungen an die eingesetzten Materialien in der Verdichtungsmaschine. Ist die maximale bereitstellbare Kraft der Verdichtungsmaschine begrenzt, ist es von großer Bedeutung die resultierende Verdichtungskraft konstruktiv möglichst gering zu halten. Die maximale bereitstellbare Kraft der Verdichtungsmaschine stellt daher die Grenze der Gaskraft und somit ferner auch eine Förderleistung der Verdichtungsmaschine dar.
Verdichtetes Fluid, das eine gewünschte Dichte erreicht hat, wird aus der Verdichtungsmaschine abgeleitet und im Zuge dessen wird neues unverdichtetes Fluid der Verdichtungsmaschine zugeführt. Eine Menge des verdichteten Fluids, das aus der Verdichtungsmaschine abgeleitet wird, bestimmt die Förderleistung der Verdichtungsmaschine.
Beispielsweise kann in einem Hubkolbenverdichter, bei einer vernachlässigbar geringen Reibungskraft, eine Verringerung der resultierenden Verdichtungskraft bei gleichbleibendem Gasdruck durch eine Verkleinerung einer wirksamen Querschnittsfläche des Hubkolbens erfolgen.
Eine Reduktion der wirksamen Querschnittsfläche des Hubkolbens geht dabei allerdings mit einer verminderten Förderleistung der Verdichtungsmaschine einher.
Es ist daher wünschenswert eine Verdichtungsmaschine bereitzustellen, mit der die resultierende Verdichtungskraft und somit die Belastungen und Anforderungen an die Verdichtungsmaschine verringert werden können, ohne dass dabei Verluste der Förderleistung hingenommen werden müssen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Verdichtungsmaschine, ein Verfahren und eine Verwendung einer solchen Verdichtungsmaschine gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. In der erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine oszilliert ein oszillierender Körper zwischen zwei Umkehrpunkten. In einer ersten Stufe wird ein Fluid durch die Bewegung des oszillierenden Körpers in eine erste Richtung verdichtet. In einer zweiten Stufe wird das Fluid durch die Bewegung des oszillierenden Körpers in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzten, Richtung (anteilhaft, dem Ausmaß des Totraumvolumens entsprechend) entspannt. Der oszillierende Körper übt dabei eine Kolbenkraft (bestehend aus Massenkraft der trägen Masse und Motor-/Antriebskraft) auf das Fluid aus und das Fluid übt eine Fluidkraft auf den oszillierenden Körper aus. Eine resultierende Verdichtungskraft ist als eine Differenz der Fluidkraft und der Kolbenkraft definiert.
Der oszillierende Körper besitzt eine erste Masse, wobei ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft bei Verwendung des oszillierenden Körpers mit der ersten Masse um einen vorgegebenen Faktor F geringer ist, als ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft bei Verwendung eines oszillierenden Referenzkörpers mit einer Referenzmasse in einer Referenzverdichtungsmaschine gleichen Aufbaus und bei Verwendung desselben Fluids.
Die erste Masse ist um einen von dem vorgegebenen Faktor abhängigen Prozentsatz größer ist als die Referenzmasse. Der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft würde bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers mittels Reduktion einer wirksamen Querschnittsfläche des oszillierenden Referenzkörpers um eben diesen vorgegebenen Faktor F reduziert.
Vorteile der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft nicht nur durch eine Reduzierung der wirksamen Querschnittsfläche des oszillierenden Körpers reduziert werden kann, sondern dass eine Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers ebenfalls eine Reduzierung des maximalen Werts der resultierenden Verdichtungskraft zur Folge hat. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft um einen gleichen Faktor verringert werden kann, wie durch die Reduzierung der wirksamen Querschnittsfläche des oszillierenden Körpers.
Erfindungsgemäß besitzt daher der oszillierende Körper eine erste Masse. Die erste Masse ist um einen Prozentsatz größer ist als eine Referenzmasse. Der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft, die bei Verwendung des oszillierenden Körpers mit der ersten Masse auftritt, ist um einen vorgegebenen Faktor F geringer als ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft bei Verwendung eines oszillierenden Referenzkörpers mit der Referenzmasse. Die Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers mit der Referenzmasse findet dabei in einer Referenzverdichtungsmaschine statt, welche den gleichen Aufbau besitzt wie die erfindungsgemäße Verdichtungsmaschine. Sowohl in der erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine als auch der Referenzverdichtungsmaschine wird dabei dasselbe Fluid verwendet. Der Prozentsatz, um welchen die erste Masse größer ist als die Referenzmasse, ist von dem vorgegebenen Faktor abhängig.
Würde die wirksame Querschnittsfläche des oszillierenden Referenzkörper in der Referenzverdichtungsmaschine reduziert, würde dadurch die resultierende Verdichtungskraft bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers um eben diesen vorgegebenen Faktor F reduziert.
Der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft tritt nicht zwingend in dem Umkehrpunkt zwischen der ersten und zweiten Stufe auf, sondern kann sich bedingt durch die Überlagerung mit der oszillierenden Massenkraft (oder allgemeiner Kolbenkraft) verschieben (vgl. Ausführungsbeispiel, 2b).
Durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers im Vergleich zu dem Referenzkörper wird der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft verringert. Die Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers bewirkt eine Erhöhung einer Trägheitskraft des oszillierenden Körpers. Die Umkehrpunkte, welche Totpunkte in der oszillierenden Bewegung des oszillierenden Körpers darstellen, werden somit leichter überwunden. Die Wirkung des Fluids auf den oszillierenden Körper und somit die resultierende Verdichtungskraft werden somit verringert. Anschaulich gesprochen besitzt die Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers denselben Effekt wie ein Schwungrad bei einem mit einem Verbrennungsmotor betriebenen Kraftfahrzeug.
Im Sinne der Erfindung wird die erste Masse derart gewählt, dass der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft gezielt auf einen gewünschten Wert reduziert wird. Beispielsweise kann der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft der Referenzverdichtungsmaschine mit dem Referenzkörper vorgegebene Spezifikationen, einen zulässigen Maximalwert oder einen von einem Antrieb bereitstellbaren maximalen Kraftwert überschreiten. Dieser maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft der Referenzverdichtungsmaschine soll folglich um den vorgegebenen Faktor F reduziert werden, damit die Referenzverdichtungsmaschine den vorgegeben Spezifikationen etc. genügt. Der Referenzkörper wird demgemäß gegen den oszillierenden Körper mit der entsprechend gewählten ersten Masse ”ausgetauscht”, wobei die erste Masse um einen gewissen Prozentsatz in Abhängigkeit von eben diesem vorgegebenen Faktor größer ist.
Durch die Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers im Vergleich zu dem Referenzkörper treten keine Verluste in der Förderleistung auf, im Gegensatz zu der Reduzierung der wirksamen Querschnittsfläche des oszillierenden Referenzkörpers. Durch die Erfindung können, ohne Verluste in der Förderleistung hinnehmen zu müssen, die resultierende Verdichtungskraft und somit die Belastungen und Anforderungen an die Verdichtungsmaschine im Vergleich zu der Referenzverdichtungsmaschine effektiv verringert werden. Somit kann die Standzeit erhöht werden und Wartungsintervalle können verlängert werden. Dabei sind keine komplexen, aufwendigen oder teuren Umbauten an der Referenzverdichtungsmaschine nötig. Der Aufbau der Referenzverdichtungsmaschine kann weiter genutzt werden. Es muss lediglich der oszillierende Referenzkörper gegen einen massereicheren oszillierenden Körper ausgetauscht werden, was keinen großen Kostenaufwand bedingt.
Eine erfindungsgemäße Verdichtungsmaschine erlaubt, im Vergleich zu einer Referenzverdichtungsmaschine gleichen Aufbaus, eine höhere maximale Förderleistung und einen höheren maximalen Fluiddruck des komprimierten Fluids. Eine erfindungsgemäße Verdichtungsmaschine, welche beispielsweise eine geringere Antriebskraft oder eine geringere Massenkraft besitzt als eine Referenzverdichtungsmaschine, kann dennoch den gleiche Fluiddruck des komprimierten Fluids und die gleiche Förderleistung erzielen wie die Referenzverdichtungsmaschine.
Der oszillierende Körper und der Referenzkörper weisen insbesondere die gleiche Dichte auf. Der oszillierende Körper besitzt demgemäß ein größeres Volumen als der Referenzkörper. Alternativ können oszillierender Körper und Referenzkörper aus unterschiedlich dichten Materialen bestehen und dabei dieselben und/oder unterschiedliche Volumina besitzen.
Vorteilhafterweise wird zusätzlich oder auch alternativ zu der Masse des oszillierenden Körpers eine Oszillationsfrequenz der oszillierenden Bewegung des oszillierenden Körpers erhöht; für diese alternative Ausgestaltung wird gesonderter Schutz ausdrücklich vorbehalten. Somit wird ein maximaler Wert der Geschwindigkeit des oszillierenden Körpers erhöht. Der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft bei Verwendung des oszillierenden Körpers mit der ersten (erhöhten) Masse und zusätzlich mit der (erhöhten) Oszillationsfrequenz ist um einen zweiten vorgegebenen Faktor geringer, als der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers mit der Referenzmasse und einer Referenzfrequenz in der Referenzverdichtungsmaschine. Der zweite vorgegebene Faktor ist dabei größer als der erste vorgegebene Faktor
Die Oszillationsfrequenz ist um einen von dem zweiten vorgegebenen Faktor abhängigen zweiten Prozentsatz größer als die Referenzfrequenz. Der oszillierende Körper gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine besitzt eine größere Masse als der Referenzkörper und oszilliert mit einer höheren Frequenz als der Referenzkörper. Der Effekt der erhöhten Trägheitskraft kann somit nochmals verstärkt werden.
Die erste Masse kann dabei, analog wie oben beschrieben, um den von dem vorgegebenen Faktor abhängigen Prozentsatz größer sein als der Referenzkörper, wodurch der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft der Referenzverdichtungsmaschine um den vorgegebenen Faktor reduziert wird. Um den maximalen Wert der resultierenden Verdichtungskraft der Referenzverdichtungsmaschine weiter zu reduzieren, insgesamt um den zweiten vorgegebenen Faktor, kann zusätzlich die Oszillationsfrequenz im Vergleich zur Referenzfrequenz erhöht werden. Anschaulich gesprochen kann somit durch den Austausch des Referenzkörpers gegen den oszillierenden Körper eine Grobeinstellung des maximalen Werts der Verdichtungskraft vorgenommen werden und durch die Erhöhung der Referenzfrequenz auf die Oszillationsfrequenz kann eine Feineinstellung durchgeführt werden, bis der maximalen Werts der Verdichtungskraft einen gewünschten vorgegebenen Wert erreicht.
Es ist auch denkbar, dass die erste Masse und die Oszillationsfrequenz in Abhängigkeit voneinander gewählt werden. Soll der maximale Wert der Verdichtungskraft der Referenzverdichtungsmaschine mit dem Referenzkörper um den vorgegeben zweiten Faktor reduziert werden, werden sowohl die erste Masse als auch die Oszillationsfrequenz jeweils um einen von dem zweiten vorgegebenen Faktor abhängigen Prozentsatz im Vergleich zu dem Referenzkörper bzw. der Referenzfrequenz erhöht.
Alternativ zu der bloßen Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers, kann gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung durch die geeignete Wahl sowohl der ersten Masse als auch der Oszillationsfrequenz, gegebenenfalls in Abhängigkeit voneinander, der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft flexibler und mit mehr Spielraum an vorgegebene Spezifikationen angepasst werden.
Vorzugsweise ist der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft bei Verwendung des oszillierenden Körpers mit der ersten Masse und gegebenenfalls mit der Oszillationsfrequenz geringer als ein maximaler Wert einer Antriebskraft, die von einem Antrieb der Verdichtungsmaschine bereitgestellt wird. Durch die Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers bzw. durch zusätzliche Erhöhung der Frequenz des oszillierenden Körpers kann der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft so weit verringert werden, dass der maximale Wert der resultierende Verdichtungskraft der begrenzten maximal erreichbaren Antriebskraft des Antriebs der Verdichtungsmaschine genügt. Die durch die Verdichtung des Fluids auftretende Verdichtungskraft wird durch die Erfindung so weit reduziert, dass der Antrieb der Verdichtungsmaschine diese auftretende Verdichtungskraft bereitstellen bzw. kompensieren kann.
Bevorzugt ist der oszillierende Körper als ein Hubkolben ausgebildet ist und/oder die Verdichtungsmaschine als ein Hubkolbenverdichter ausgebildet. Die Erfindung soll allerdings nicht auf Hubkolbenverdichter beschränkt sein. Die Erfindung ist grundsätzlich für jede Verdichtungsmaschine, bzw. im Allgemeinen für jede Vorrichtung, anwendbar, in denen sich eine Masse eines zwischen zwei Umkehrpunkten oszillierenden Körpers genutzt wird, um Arbeit zu verrichten.
Die Erfindung ist beispielsweise auch für einen Scrollverdichter geeignet, in dem zwei ineinander verschachtelte Spiralen gegenläufige rotatorische Bewegungen ausführen. Die Spiralen können beispielsweise mittels Exzenter in die rotatorischen Bewegungen versetzt werden. In den Exzentern führt jeweils ein zwischen zwei Umkehrpunkten oszillierender Körper eine lineare oszillierende Bewegung aus. Durch diese lineare Bewegung, die in die rotatorische Bewegung der Spiralen umgewandelt wird, wird letztendlich ein Fluid verdichtet und entspannt. Die Erfindung ist also beispielsweise auch auf die oszillierenden Körper von Exzentern, die in Kombination mit einem Scrollverdichter betrieben werden, anwendbar.
In der Praxis kann angestrebt werden, dass ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft um einen vorgegebenen Faktor F geringer ist als der entsprechende Wert der resultierenden Verdichtungskraft einer Referenzverdichtungsmaschine, wobei dieser Faktor vorzugsweise Werte zwischen 0,2 bis 0,9 annehmen kann, wobei die Verdichtungskraft dann folglich auf 20 bis 90% der Referenzverdichtungskraft reduziert wird. Bevorzugt sind Werte um 50 oder zwischen 70 und 80%.
Die hierzu notwendige Erhöhung der Masse bezogen auf die Referenzmasse beträgt vorteilhafterweise bis etwa 300%. Insbesondere ist die erste Masse um 50, 100, 150, 200, 250 oder 300% größer als die Referenzmasse. Besonders bevorzugt ist ein Bereich zwischen 100 und 200%.
Für den zweiten Faktor gilt das oben für den ersten Faktor ausgesagte. Durch Erhöhung der Oszillationsfrequenz wird die bereits erzielte Verringerung der Verdichtungskraft um den ersten Faktor nochmals weiter verringert um besagten zweiten Faktor. Hierzu wird die Oszillationsfrequenz um einen zweiten Prozentsatz größer als die Referenzfrequenz gewählt. Für diesen zweiten Prozentsatz können wiederrum Werte angegeben werden, wie sie oben für den ersten Prozentsatz angegeben wurden. Besonders bevorzugt sind Prozentsätze von 50 bis 150%.
Während beispielsweise durch Verdoppelung der Masse die resultierende Verdichtungskraft auf etwa 70% des Ausgangswertes gesenkt werden kann, kann allein durch Verdoppelung der Oszillationsfrequenz die Verdichtungskraft nur auf etwa 80% des ursprünglichen Wertes gesenkt werden (vgl. Ausführungsbeispiele unten).
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Auslegung einer Verdichtungsmaschine, wobei erfindungsgemäß in der beschriebenen Weise die Masse des oszillierenden Körpers in definierter Weise um einen Prozentsatz erhöht wird. Dieser Prozentsatz hängt – wie oben ausführlich beschrieben – von dem Faktor ab, um den der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft gesenkt werden soll. Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der obigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine in analoger Art und Weise. Gleiches gilt für die erfindungsgemäße Verwendung dieser Verdichtungsmaschine.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt
1 schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine (1a), sowie zwei Referenzverdichtungsmaschinen (1b, 1c) und
2 schematisch Kraftdiagramme aufgetragen gegen die Zeit, die mit dieser Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine erzielt werden können.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine ist in 1a schematisch dargestellt und mit 110 bezeichnet. Die Verdichtungsmaschine ist in diesem Beispiel als ein Hubkolbenverdichter 110 ausgebildet.
Ein Linearmotor 115 treibt den Hubkolbenverdichter 110 an. Der Linearmotor 115 kann dabei maximal eine Antriebskraft F_A bereitstellen. Mit dieser bereitgestellten Kraft F_A treibt der Linearmotor 115 einen oszillierenden Körper des Hubkolbenverdichters 110 an. Der oszillierende Körper ist als ein Hubkolben 111 ausgebildet. Der Hubkolben 111 besitzt dabei eine erste Masse m₁ und eine wirksame Querschnittsfläche A. Durch die Kraft F_A, die der Linearmotor 115 auf den Hubkolben 111 ausübt, wird der Hubkolben 111 in eine oszillierende Bewegung innerhalb eines Zylinders 113 versetzt und oszilliert zwischen zwei Umkehrpunkten U₁ und U₂, angedeutet durch den Doppelpfeil 111a.
Eine Frequenz, mit der diese oszillierende Bewegung 111a des Hubkolbens 111 erfolgt, wird von dem Linearmotor 115 vorgegeben.
In einer ersten Stufe bewegt sich der Kolben 111 von dem zweiten Umkehrpunkt U₂ zu dem ersten Umkehrpunkt U₁ und verdichtet dabei ein Fluid 112. In einer zweiten Stufe bewegt sich der Kolben 111 von dem ersten Umkehrpunkt U₁ zu dem zweiten Umkehrpunkt U₂ und entspannt (anteilhaft, dem Ausmaß des Totraumvolumens entsprechend) dabei das Fluid 112. Das Fluid 112 kann über eine Zuleitung 114a in den Zylinder einströmen und über eine Ableitung 114b aus dem Zylinder abfließen. Während der oszillierenden Bewegung 111a übt der Kolben 111 eine Kolbenkraft F_M auf das Fluid 112 aus und das Fluid übt eine Fluidkraft F_F auf den Kolben 111 aus. Eine resultierende Verdichtungskraft F* ist als Differenz aus der Kolbenkraft F_M und der Fluidkraft F_F ausgebildet.
Da je nach Stufe der oszillierenden Bewegung 111a des Hubkolbens die auftretenden Kräfte jeweils ihre Richtung ändern, sind die Kräfte in 1 jeweils mittels eines Doppelpfeils dargestellt.
In 1b ist eine Referenzverdichtungsmaschine schematisch dargestellt und mit 120 bezeichnet. Die Referenzverdichtungsmaschine ist ebenfalls ein Hubkolbenverdichter. Dieser Referenzhubkolbenverdichter 120 besitzt denselben Aufbau wie der Hubkolbenverdichter 110, nur dass der Hubkolben 111 gegen einen Referenzkörper in Form eines Referenzhubkolbens 121 ausgetauscht ist. Der Referenzhubkolben 121 besitzt dieselbe wirksame Querschnittsfläche (Durchmesser 42 mm) und Dichte wie der Hubkolben 111, allerdings besitzt der Referenzhubkolben 121 ein geringeres Volumen und somit eine Referenzmasse m_ref, die geringer ist als die erste Masse m₁. Der Referenzhubkolben 121 wird ebenfalls von dem Linearmotor 115 in eine oszillierende Bewegung 121a zwischen den beiden Umkehrpunkten U₁ und U₂ versetzt, wodurch der Referenzhubkolben 121 ebenfalls das Fluid 112 abwechselnd entspannt (anteilhaft, dem Ausmaß des Totraumvolumens entsprechend) und verdichtet.
Durch die im Vergleich zu der Referenzmasse m_ref größere erste Masse m₁, ist ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft F* des Hubkolbenverdichters 110 um einen vorgegebenen Faktor F geringer als ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft F* des Referenzhubkolbenverdichters 120. Die erste Masse m₁ ist um einen von diesem Faktor F abhängigen Prozentsatz größer als die Referenzmasse m_ref.
Diese Reduzierung des maximalen Werts der resultierenden Verdichtungskraft F* um den Faktor F würde ebenfalls erreicht werden, wenn die wirksame Querschnittsfläche A des Referenzhubkolbens 121 verringert würde. Demgemäß ist in 1c ein zweiter Referenzhubkolbenverdichter 130 schematisch dargestellt, der einen zweiten Referenzhubkolben 131 mit einer wirksamen Querschnittsfläche A₂ (Durchmesser 16 mm) besitzt, wobei die wirksame Querschnittsfläche A₂ geringer ist als die wirksame Querschnittsfläche A. Analog zu dem zweiten Referenzhubkolben 131 besitzt ein zweiter Zylinder 133 des zweiten Referenzhubkolbenverdichters 130 einen geringeren Querschnitt als der Zylinder 113. Der zweite Referenzhubkolbenverdichter 130 wird ebenfalls von dem Linearmotor 115 angetrieben und verdichtet und entspannt (anteilhaft, dem Ausmaß des Totraumvolumens entsprechend) das Fluid 112 abwechselnd durch eine oszillierende Bewegung 131a. Der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft F* des zweiten Referenzhubkolbenverdichters 130 ist dabei derselbe wie der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft F* des Hubkolbenverdichters 110.
Konkrete Beispiele für den in diesem Ausführungsbeispiel (vgl. 2) berechneten und ausgelegten Verdichter: Referenzverdichter: m_ref = 16 kg, f = 10 Hz = f_osz = f_ref, IF·1max@10 Hz |= 12,33 kN, Masse verdoppelt m₁ = 2 × m_ref, IF·2max@10 Hz |= 8,9 kN; Masse zweieinhalbfach: m₁ = 2,5 × m_ref, IF·max@10 Hz |= 7,35 kN.
Notiz: Kein linearer Zusammenhang zwischen Erhöhung der Masse und Reduktion von F*. Erhöhung der Masse muss immer spezifisch für das Gesamtsystem erfolgen, Pauschalaussage für jedes System ist daher nicht möglich. Grundsätzlich soll gesagt sein, dass eine Erhöhung bis zu jenem Grad sinnvoll ist, an dem der jeweilige betragsmäßige Maximalwert der oszillierende Kolbenkraft, aufgetragen über die/den Zeit/Winkel, kleiner oder gleich dem betragsmäßigen Maximalwert der resultierende Verdichtungskraft, wiederum aufgetragen über die/den Zeit/Winkel, des Referenzverdichters ist (Kräfteaddition würde darüber hinaus keinen Vorteil bewirken).
Bisher wurde nur der Fall betrachtet, dass alle Bewegungen 111a, 121a und 131a mit derselben Frequenz stattfinden. Nun soll der Fall betrachtet werden, dass die oszillierenden Bewegungen 121a bzw. 131a des Referenzhubkolbens 121 bzw. des zweiten Referenzhubkolbens 131 jeweils mit einer Referenzfrequenz f_ref stattfinden. Die oszillierende Bewegung 111a des Hubkolbens 111 erfolgt hingegen mit einer Oszillationsfrequenz f_osz, wobei die Referenzfrequenz f_ref geringer ist als die Oszillationsfrequenz f_osz. Der zugehörige maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft F* des Hubkolbenverdichters 110 ist in diesem Fall ebenfalls derselbe wie der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft F* des zweiten Referenzhubkolbenverdichters 130 und um einen zweiten Faktor geringer als der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft F* des Referenzhubkolbenverdichters 120. Die Oszillationsfrequenz f_osz bzw. die erste Masse m₁ sind dabei jeweils um einen von dem zweiten Faktor abhängigen Prozentsatz größer als die Referenzmasse m_ref bzw. die Referenzfrequenz f_ref.
Konkrete Beispiele für den in diesem Ausführungsbeispiel (vgl. 2) berechneten und ausgelegten Verdichter: Referenzverdichter: m_ref = 16 kg, f.osz. 1 = 5 Hz = f_ref, IF·1max@5 Hz = 14,93 kN, Frequenz × 1,5, f_osz = 7,5 Hz, IF·2max@7,5 Hz |= 13,84 kN; Frequenz verdoppelt: f_osz = 10 Hz, IF·3max@10 Hz |= 12,33 kN.
Notiz: Kein linearer Zusammenhang zwischen Erhöhung der Frequenz und Reduktion von F.res Erhöhung der Frequenz muss immer spezifisch für das Gesamtsystem erfolgen, Pauschalaussage für jedes System ist daher nicht möglich. Grundsätzlich soll gesagt sein, dass eine Erhöhung bis zu jenem Grad sinnvoll ist, an dem der jeweilige betragsmäßige Maximalwert der oszillierende Kolbenkraft, aufgetragen über die/den Zeit/Winkel, kleiner oder gleich dem betragsmäßigen Maximalwert der resultierende Verdichtungskraft, wiederum aufgetragen über die/den Zeit/Winkel, des Referenzverdichters ist; eine Kräfteaddition würde darüber hinaus keinen Vorteil bewirken.
In 2 sind schematisch zwei Diagramme dargestellt, die in einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine erfasst werden können. Für dieses spezielle Beispiel wird ein Hubkolbenverdichter 110 gemäß 1a angenommen, wobei die erste Masse m₁ des Hubkolbens 111 einen Wert von 50 kg besitzt. Der Hub, sprich der Abstand der beiden Umkehrpunkte U₁ und U₂, beträgt 120 mm, die Oszillationsfrequenz der oszillierenden Bewegung 111a beträgt 10 Hz, eine Periode der oszillierenden Bewegung 111a beträgt 100 ms. Der Linearmotor 115 kann eine maximale Antriebskraft von 13,8 kN bereitstellen.
In 2a sind die auftretenden Fluidkräfte sowie die Kolbenkraft eines Hubkolbenverdichters gemäß 1a dargestellt. Auf der Ordinate ist dabei eine Kraft aufgetragen, auf der Abszisse die Zeit t.
Kurve 210 zeigt dabei eine erste Fluidkraft F_F1, die das Fluid 112 während der ersten Stufe auf den Kolben 111 ausübt. Kurve 220 zeigt eine zweite Fluidkraft F_F2, die das Fluid 112 während der zweiten Stufe auf den Kolben 111 ausübt. Kurve 230 zeigt die Kolbenkraft F_M. Zu den Zeitpunkten t₁ und t₃ befindet sich der Hubkolben 111 in dem Umkehrpunkt U₁ und wechselt von der ersten in die zweite Stufe. Zu diesen Zeitpunkten wird das Fluid 112 maximal verdichtet. Zu den Zeitpunkten t₀, t₂ und t₄ befindet sich der Hubkolben 111 in dem Umkehrpunkt U₂ und wechselt von der zweiten in die erste Stufe. Zu diesen Zeitpunkten wird das Fluid 112 maximal entspannt.
Durch die erfindungsgemäße Erhöhung der ersten Masse m₁ gegenüber der Referenzmasse m_ref können die betragsmäßig maximalen Werte der ersten und zweiten Fluidkraft F_F1 und F_F2, die in den beiden Umkehrpunkten U₁ und U₂ auftreten, reduziert werden. Die gestrichelten Linien 211 bzw. 221 zeigen einen Verlauf der ersten bzw. zweiten Fluidkraft F_F1 bzw. F_F2 in den beiden Umkehrpunkten U₁ und U₂ für einen Referenzhubkolbenverdichter 120 mit einem Referenzhubkolben 121 mit der Referenzmasse m_ref. Der maximale Wert der ersten Fluidkraft F_F1 wird dabei in diesem speziellen Beispiel betragsmäßig auf den Wert 20,5 kN reduziert. Der maximale Wert der zweiten Fluidkraft F_F2 wird betragsmäßig auf den Wert 12,1 kN reduziert. Wie bereits erläutert besitzt die erfindungsgemäße Erhöhung der ersten Masse m₁ anschaulich gesprochen denselben Effekt wie ein Schwungrad eines Verbrennungsmotors und erhöht die Trägheitskraft des Hubkolbens 111. Somit werden die Extrema des Verlaufs der ersten und zweiten Fluidkraft F_F1 und F_F2gegenüber dem Referenzhubkolbenverdichter 121 ”abgeschnitten”.
In 2b ist ein Diagramm analog zu 2a dargestellt. Die Kurve 240 zeigt dabei die Fluidkraft F_F, welche die Summe der ersten und zweiten Fluidkraft F_F1 und F_F2 ist. Kurve 250 zeigt die resultierende Verdichtungskraft F*, welche die Differenz aus Fluidkraft F_F und Kolbenkraft F_M ist. Durch die Reduzierung der betragsmäßig maximalen Werte der ersten und zweiten Fluidkraft F_F1 und F_F2 werden demgemäß auch die maximalen Werte der Fluidkraft F_F reduziert. In diesem Beispiel besitzt die resultierende Verdichtungskraft F* einen maximalen Wert von 7,5 kN in dem ersten Umkehrpunkt und ist somit geringer als die maximale Antriebskraft von 13,8 kN.
Es sei angemerkt, dass sich die Amplitude und somit der maximale Wert der Massekraft und somit der Kolbenkraft F_M erhöht, wenn der Hubkolbenverdichter 110 und Referenzhubkolbenverdichter 120 von demselben Linearmotor 115 mit derselben maximal bereitstellbaren Antriebskraft F_A bei derselben Frequenz betrieben werden, da mit derselben Antriebskraft F_A eine größere Masse in Bewegung gebracht werden muss. Die erfindungsgemäße Verringerung des maximalen Werts der resultierenden Verdichtungskraft F* durch die Erhöhung der ersten Masse m₁ ist dabei weder zwingend größer noch geringer als die dadurch bedingte Erhöhung des maximalen Werts der Massekraft F_M.
Wie nämlich beispielsweise in 2b, Kurve 250 zu sehen ist, gibt es mehrere verhältnismäßig, auf den Betrag bezogen, hohe Werte. Durch die Erhöhung der Massenkraft wird das ursprüngliche Maximum reduziert, ein anderer betragsmäßig hoher Wert hingegen wird in diesem Beispiel erhöht und zum ”neuen” Maximum im Verdichtungsprozess. Dadurch verliert sich der lineare Bezug zwischen Massenkrafterhöhung und Reduktion der ursprünglichen maximalen Verdichtungskraft.
Bezugszeichenliste

110: Verdichtungsmaschine, Hubkolbenverdichter
111: oszillierender Körper, Hubkolben
111a: oszillierende Bewegung
112: Fluid
113: Zylinder
114a: Zuleitung
114b: Ableitung
115: Linearmotor
120: Referenzverdichtungsmaschine, Referenzhubkolbenverdichter
121: Referenzkörper, Referenzhubkolben
121a: oszillierende Bewegung
130: Referenzverdichtungsmaschine, Referenzhubkolbenverdichter
131: Referenzkörper, Referenzhubkolben
131a: oszillierende Bewegung
133: Zylinder
210, 220, 230, 240, 250: Kraftdiagramme
211, 221: Fluidkraftverlauf eines Referenzhubkolbenverdichters
A, A₂: wirksame Querschnittsfläche
U₁, U₂: Umkehrpunkte
F_M: Kolbenkraft
F_F: Fluidkraft
F*: resultierende Verdichtungskraft
F_A: Antriebskraft
m₁: erste Masse
m_ref: Referenzmasse
F: Faktor
f_ref: Referenzfrequenz
f_osz: Oszillationsfrequenz

Claims

Verdichtungsmaschine (110), in der ein oszillierender Körper (111) zwischen zwei Umkehrpunkten (U₁, U₂) oszilliert, – wobei durch die oszillierende Bewegung (111a) des oszillierenden Körpers (111) ein Fluid (112) zumindest zum Teil abwechselnd entspannt und verdichtet wird, – wobei der oszillierende Körper (111) eine Kolbenkraft (F_M) auf das Fluid (112) ausübt, – wobei das Fluid (112) eine Fluidkraft (F_F) auf den oszillierenden Körper (111) ausübt und – wobei eine resultierende Verdichtungskraft (F*) als eine Differenz der Fluidkraft (F_F) und der Kolbenkraft (F_M) definiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der oszillierende Körper (111) eine erste Masse (m₁) besitzt, – wobei ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Körpers (111) mit der ersten Masse (m₁) um einen vorgegebenen Faktor (F) geringer ist als ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung eines oszillierenden Referenzkörpers (121) mit einer Referenzmasse (m_ref) in einer Referenzverdichtungsmaschine (120) gleichen Aufbaus und bei Verwendung desselben Fluids (112), – wobei die erste Masse (m₁) um einen von dem vorgegebenen Faktor abhängigen Prozentsatz größer ist als die Referenzmasse (m_ref), – wobei der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers (121) mittels Reduktion einer wirksamen Querschnittsfläche (A) des oszillierenden Referenzkörpers (121) um eben diesen vorgegebenen Faktor (F) reduziert würde.
Verdichtungsmaschine (110) nach Anspruch 1, wobei – der oszillierende Körper (111) zwischen den zwei Umkehrpunkten (U₁, U₂) mit einer Oszillationsfrequenz oszilliert, – wobei der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Körpers (111) mit der ersten Masse (m₁) und mit der Oszillationsfrequenz um einen zweiten vorgegebenen Faktor geringer ist als der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers (121) mit der Referenzmasse (m_ref) und einer Referenzfrequenz in der Referenzverdichtungsmaschine (120) gleichen Aufbaus und bei Verwendung desselben Fluids (112), – wobei die Oszillationsfrequenz um einen von dem vorgegebenen zweiten Faktor abhängigen zweiten Prozentsatz größer ist als die Referenzfrequenz, – wobei der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers (121) und der Referenzfrequenz mittels Reduktion einer wirksamen Querschnittsfläche (A) des oszillierenden Referenzkörpers (121) um eben diesen vorgegebenen zweiten Faktor reduziert würde.
Verdichtungsmaschine (110) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Körpers (111) mit der ersten Masse (m₁) geringer ist als ein maximaler Wert einer Antriebskraft (F_A), die von einem Antrieb (115) der Verdichtungsmaschine (110) bereitgestellt wird.
Verdichtungsmaschine (110) nach Anspruch 3, wobei der Antrieb (115) der Verdichtungsmaschine als ein Linearmotor ausgebildet ist.
Verdichtungsmaschine (110) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der oszillierende Körper (111) als ein Hubkolben ausgebildet ist und/oder wobei die Verdichtungsmaschine (110) als ein Hubkolbenverdichter ausgebildet ist.
Verdichtungsmaschine (110) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Faktor (F) zwischen 0,2 bis 0,9 beträgt.
Verdichtungsmaschine (110) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Prozentsatz Werte von über 0% bis 300%, insbesondere 50%, 100%, 150%, 200%, 250% oder 300%, aufweist.
Verdichtungsmaschine (110) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene zweite Faktor Werte zwischen 0,2 bis 0,9 und der zweite Prozentsatz Werte von über 0% bis 300%, insbesondere 50%, 100%, 150%, 200%, 250% oder 300%, aufweist.
Verfahren zur Auslegung einer Verdichtungsmaschine (110), in der ein oszillierender Körper (111) zwischen zwei Umkehrpunkten (U₁, U₂) oszilliert, – wobei durch die oszillierende Bewegung (111a) des oszillierenden Körpers (111) ein Fluid (112) zumindest zum Teil abwechselnd entspannt und verdichtet wird, – wobei der oszillierende Körper (111) eine Kolbenkraft (F_M) auf das Fluid (112) ausübt, – wobei das Fluid (112) eine Fluidkraft (F_F) auf den oszillierenden Körper (111) ausübt und – wobei eine resultierende Verdichtungskraft (F*) als eine Differenz der Fluidkraft (F_F) und der Kolbenkraft (F_M) definiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass – eine erste Masse (m₁) des oszillierenden Körpers (111) derart gewählt wird, dass ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Körpers (111) mit der ersten Masse (m₁) um einen vorgegebenen Faktor (F) geringer ist als ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung eines oszillierenden Referenzkörpers (121) mit einer Referenzmasse (m_ref) in einer Referenzverdichtungsmaschine (120) gleichen Aufbaus und bei Verwendung desselben Fluids (112), – wobei die erste Masse (m₁) um einen von dem vorgegebenen Faktor abhängigen Prozentsatz größer ist als die Referenzmasse (m_ref), – wobei der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers (121) mittels Reduktion einer wirksamen Querschnittsfläche (A) des oszillierenden Referenzkörpers (121) um eben diesen vorgegebenen Faktor (F) reduziert würde.
Verwendung einer Verdichtungsmaschine (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eines Verfahrens gemäß Anspruch 9 zur Verringerung der resultierenden Verdichtungskraft (F*).