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Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Verdichten eines fluiden, insbesondere gasförmigen, insbesondere tiefkalten Mediums, insbesondere in Form von Wasserstoff, gemäß Anspruch 8.
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Vorliegend ist unter einem tiefkalten, fluiden Medium insbesondere ein fluides Medium zu verstehen, dass eine Temperatur im Bereich von 0 K bis 130 K aufweist. Ein fluides Medium ist dabei ein gasförmiges oder flüssiges Medium bzw. ein Phasengemisch aus einer gasförmigen und einer flüssigen Phase. Der erfindungsgemäße Kolbenverdichter kann allerdings auch mit höheren Eingangstemperaturen von insbesondere bis zu 320 K betrieben werden, also in einem Bereich von 0 K bis 320 K.
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Gase haben bei Normbedingungen, verglichen zu anderen Energieträgern, eine vergleichsweise sehr geringe Dichte. Um ein Gas effizient speichern zu können, ist es notwendig, die Masse des Gases in dem zur Verfügung stehendem Speicherraum zu erhöhen.
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Eine effektive Speicherung von Gasen wird zumeist mit einer Erhöhung des Gasdrucks realisiert. Als gegenwärtig häufigste Verfahren und Vorrichtungen zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums kommen Verdichtersysteme wie der Hubkolbenverdichter, der ionischen Verdichter, der Schraubenverdichter oder der Membranverdichter zum Einsatz. Weiterhin sind Verfahren zur Förderung und Verdichtung flüssiger, kryogener Medien bekannt, welche meist durch Kolbenverdichtersysteme realisiert werden.
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Gattungsgemäße Verfahren sowie Vorrichtungen kommen beispielsweise in Erdgas- sowie Wasserstoffverdichterstationen, wie sie bei Gastankstellen realisiert werden, zur Anwendung.
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Aus dem Stand der Technik
DE-B 10 2006 060 147 ist z. B. eine durch einen Linearmotor angetriebene Fluidarbeitsmaschine bekannt, bei der z. B. der Stator im Linearmotor und der Läufer durch ein Spaltrohr und statische Dichtungen getrennt sind.
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Die vorgenannten Verdichter arbeiten üblicherweise mit Gaseingangstemperaturen im Bereich der Umgebungstemperatur ihres Einsatzortes. Bei mit Flüssiggas versorgten Verdichteranlagen ist es daher notwendig, die Flüssigkeit in ihren gasförmigen Zustand zu überführen. Die Anpassung der Gaseingangstemperatur in den Verdichter erfolgt über Verdampferanlagen. Die für die Temperaturerhöhung des Mediums notwendige Energie in den Verdampferanlagen erfolgt beispielsweise über Wärmeentzug aus der Umgebung oder per elektrischer Anheizvorrichtung.
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Förderleistungsstarke Kryopumpen hingegen müssen flüssig versorgt werden. Die zur Versorgung notwendigen Flüssigtanks sind aufgrund der begrenzten Isoliermöglichkeiten und der dadurch resultierenden Verluste des Flüssigwasserstoffs in Folge nicht nutzbaren Boil-Off-Gases bei langen Stehzeiten äußerst unwirtschaftlich.
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Aufgrund der in Verdichtern vorkommenden Temperaturdifferenzen ist es beispielsweise für Kolbenverdichter konstruktiv notwendig, Längentoleranzen vorzusehen, die mit einer Erhöhung des Totraums einhergehen. Die erhöhte Gasrückexpansion bedingt durch den verhältnismäßig großen Totraum bedeutet eine verminderte Förderleistung.
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Bei einem totraumlosen Verdichter (z. B. ionischer Verdichter), begrenzt die Kristallisationstemperatur der ionischen Flüssigkeit den Einsatz bei tiefen Temperaturen. Weiterhin fordern Ionische Verdichter eine horizontale Einbaulage um die Flüssigkeitssäule aufrecht zu erhalten.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Kolbenverdichter können des Weiteren oft nicht druckgekapselt gebaut werden, wodurch eine gewisse Leckage des zu verdichtenden Mediums an die Umgebung in Kauf genommen werden muss. Selbst statische Dichtungen erlauben nur bedingt eine leckagefreie Abdichtung. Im Fall der Förderung und Verdichtung von Wasserstoff gemäß dem in der
DE-B 10 2006 060 147 offenbarten System steht der Fachmann zudem vor dem Problem der Hydrierung der Permanentmagnete durch das Leckagegas.
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Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten Kolbenverdichter sowie ein entsprechendes Verfahren zum Verdichten eines fluiden (z. B. gasförmigen), sowie insbesondere tiefkalten Mediums, insbesondere Wasserstoff, anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kolbenverdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden des Weiteren unten beschrieben.
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Gemäß Anspruch 1 weist der erfindungsgemäße Kolbenverdichter zum Verdichten eines insbesondere tiefkalten, fluiden Mediums, insbesondere in Form von Wasserstoff, einen Linearmotor auf, der einen Stator sowie einen Permanentmagnete aufweisenden Läufer aufweist, wobei der Stator in bekannter Weise dazu ausgebildet ist, zum Antreiben des Läufers ein magnetisches Feld zu erzeugen, um den Läufer entlang einer Längsachse, entlang der sich der Läufer erstreckt, relativ zum Stator hin und her zu bewegen. Weiterhin weist der Kolbenverdichter ein Gehäuse des Linearmotors auf, das einen Innenraum definiert, in dem der Läufer und der Stator angeordnet sind, sowie einen mit dem Gehäuse verbundenen ersten Zylinder des Kolbenverdichters, der einen ersten Zylinderinnenraum definiert, der von jenem Innenraum abgeht, sowie des Weiteren einen ersten Zylinderkopf des ersten Zylinders, mit einem Einlass, über den das Medium in den ersten Zylinderinnenraum des ersten Zylinders einleitbar ist, sowie mit einem Auslass, über den verdichtetes Medium aus jenem ersten Zylinderinnenraum ausgebbar ist. Weiterhin weist der Kolbenverdichter einen in den ersten Zylinderinnenraum hineinragenden, entlang der Längsachse erstreckten ersten Kolben auf, der mit dem Läufer verbunden ist, so dass der erste Kolben vom Läufer mitgenommen und entlang der Längsachse hin und her bewegt wird, wobei der erste Kolben dazu ausgebildet ist, im ersten Zylinderinnenraum befindliches Medium zu verdichten, wenn sich der erste Kolben in Richtung auf den ersten Zylinderkopf bewegt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass ein umlaufender erster Spalt zwischen dem ersten Kolben und einer dem ersten Kolben zugewandten Innenseite des ersten Zylinders so mit zumindest einer am ersten Kolben vorgesehenen Dichtung abgedichtet ist, dass lediglich ein Teil des Mediums, vorliegend als Leckagemedium bezeichnet, aus dem ersten Zylinderinnenraum durch jenen ersten Spalt in den Innenraum des Gehäuses gelangen kann und den Läufer sowie insbesondere auch den Stator umströmt, wobei die Permanentmagnete des Läufers zum Schutz vor jenem Leckagemedium, insbesondere zum Schutz vor einer Hydrierung und ferner einer Versprödung bei einem Medium in Form von Wasserstoff, mit einer Beschichtung versehen sind.
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Die mindestens eine am ersten Kolben vorgesehene Dichtung soll also den ersten Zylinderinnenraum abdichten, wobei jedoch in der Regel eine gewisse Leckage an der Dichtung vorbei nicht verhinderbar ist. Gleiches gilt für den zweiten Kolben (siehe unten).
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Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Kolbenverdichter bzw. das unten erläuterte Verfahren dazu ausgebildet bzw. ausgelegt, ein fluides Medium zu verdichten. Das Medium kann also rein gasförmig sein oder als Mischung einer gasförmigen und einer flüssigen Phase vorliegen. Weiterhin kann das Medium auch als Flüssigkeit vorliegen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters ist vorgesehen, dass die besagten Permanentmagnete eine Neodym-Eisen-Bor-Legierung aufweisen bzw. aus diesem Material gefertigt sind.
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Generell eignen sich als Materialien für die erfindungsgemäßen Permanentmagnete Ferrite und deren Verbindungen mit Zink und/oder Nickel sowie mit Mangan, sowie Strontium-Ferrite, Cobalt-Ferrite, Barium-Ferrite, sowie weiterhin Legierungen aus Samarium-Cobalt und Aluminium-Nickel-Cobalt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters ist vorgesehen, dass die Beschichtung der Permanentmagnete durch eine Nickel-Kupfer-Nickel-Beschichtung gegeben ist. D. h., die Parmanentmagente sind mit einer Schicht Nickel beschichtet, gefolgt von einer Schicht Kupfer, gefolgt von einer (insbesondere äußersten) Schicht Nickel. Erfindungsgemäße NiCuNi-Beschichtungen können z. B. galvanisch hergestellt werden.
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Weiterhin kann eine Beschichtung der Permanentmagnete zum Schutz der Permanentmagnete auch einen der folgenden Stoffe bzw. Verbindungen aufweisen: Aluminium-Oxid, Wolfram, Molybdän, Gold, Platin, Chrom, Kadmium, Zinn, Aluminium, Silikate aus Wolfram und Molybdän, oder Nickel-Aluminium-Verbindungen.
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Weiterhin kann es sich bei der Beschichtung auch um eine Oxidationsschicht des Grundmaterials der Permanentmagnete handeln, die insbesondere vor der Hydrierung/Versprödung erzeugt wird. Eine solche Oxidschicht kann z. B. durch das ungeschützte Umspülen und Verweilen der Permanentmagnete im Luftsauerstoff, oder vorzugsweise durch ein Druckbeaufschlagen der Permanentmagnete in (insbesondere hochreinem) Sauerstoff erzeugt werden.
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Eine Gesamtschichtstärke der jeweiligen Beschichtung normal zur Erstreckungsfläche der Beschichtung bzw. normal zu den einzelnen Schichten liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 3 μm bis 500 μm.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Innenraum des Gehäuses über eine erste Leckagerückleitung in Fluidverbindung mit einer Zuleitung zum Einlass am ersten Zylinderkopf steht, so dass der Innenraum des Gehäuses mit einem Druck beaufschlagt ist, der den Druck in jener Zuleitung entspricht, wobei bevorzugt die erste Leckagerückleitung von einem ersten Endabschnitt des Innenraums abzweigt, und wobei bevorzugt der erste Zylinderinnenraum von jenem ersten Endabschnitt des Innenraums abgeht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolbenverdichter einen mit dem Gehäuse verbundenen zweiten Zylinder aufweist. Mit einem solchen zweiten Zylinder kann ein zweistufiges Verdichten des zu verdichtenden Mediums vorgenommen werden. Vorzugsweise weist der zweite Zylinder einen zweiten Zylinderinnenraum auf, der von jenem Innenraum des Gehäuses des Linearmotors abgeht, sowie einen zweiten Zylinderkopf des zweiten Zylinders, wobei jener zweite Zylinderkopf einen Einlass aufweist, über den das zu verdichtende Medium in den zweiten Zylinderinnenraum des zweiten Zylinders einleitbar ist. Weiterhin weist der zweite Zylinderkopf einen Auslass auf, über den das in dem zweiten Zylinderinnenraum verdichtete Medium aus dem zweiten Zylinderinnenraum ausgebbar ist. Des Weiteren ist bevorzugt ein zweiter Kolben vorgesehen, der in den zweiten Zylinderinnenraum hineinragt und entlang der besagten Längsachse erstreckt ist. Der zweite Kolben ist der wiederum bevorzugt mit dem Läufer verbunden, so dass der zweite Kolben vom Läufer mitgenommen und entlang der Längsachse hin und her bewegt wird, wobei der zweite Kolben dazu ausgebildet ist, im zweiten Zylinderinnenraum befindliches Medium zu verdichten, wenn sich der zweite Kolben in Richtung auf den zweiten Zylinderkopf bewegt.
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Zwischen dem zweiten Kolben und einer dem zweiten Kolben zugewandten Innenseite des zweiten Zylinders ist weiterhin bevorzugt ein umlaufender zweiter Spalt vorhanden, der so mit zumindest einer am zweiten Kolben vorgesehenen Dichtung abgedichtet ist, dass lediglich ein Teil des Mediums aus dem zweiten Zylinderinnenraum, das vorliegend wiederum als Leckagemedium bezeichnet wird, durch jenen zweiten Spalt in den Innenraum des Gehäuses gelangt und dort den Läufer sowie insbesondere auch den Stator umströmt (siehe oben).
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Innenraum auf der Seite des zweiten Zylinders über eine zweite Leckagerückleitung in Fluidverbindung mit der Zuleitung des Einlasses am ersten Zylinderkopf steht, wobei insbesondere jene zweite Leckagerückleitung von einem zweiten Endabschnitt des Innenraums abzweigt, der den ersten Endabschnitt entlang der Längsachse des Kolbenverdichters gegenüberliegt, wobei vorzugsweise der zweite Zylinderinnenraum von jenem zweiten Endabschnitt des Innenraumes abgeht. Die beiden Zylinder sind also zu beiden Seiten des Linearmotors vorgesehen, so dass in den einen Zylinderinnenraum Medium eingesaugt wird, während es aus dem anderen Zylinderinnenraum ausgegeben wird.
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Damit auf die Bewegung des Kolbens Einfluss genommen werden kann, sowie insbesondere der Hub des ersten bzw. zweiten Kolbens geregelt werden kann, ist bevorzugt ein Positionserfassungsmittel zur Erfassung der Position des ersten und/oder zweiten Kolbens vorgesehen. Hierbei können geberlose Verfahren verwendet werden, die beispielsweise konstruktionsbedingte, positionsspezifische Verhältnisse der Induktivitäten in Längs- und Querrichtung zur Mittelachse des Linearmotors verwenden, wobei durch die positionsspezifischen Verhältnisse auf die Position geschlossen werden kann. Weiterhin können Verfahren gemäß
EP-B 1746718 oder
WO-A 1992019038 verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Positionserfassungsmittel einen mit dem ersten oder dem zweiten Kolben gekoppelten Weggeber auf, der ein erstes Magnetfeld erzeugt (der Weggeber kann z. B. durch einen Magneten gebildet sein) sowie ein Messelement, das z. B. einen druckfesten Stab aufweist, in dem ein magnetischer, elastisch verformbarer Körper angeordnet bzw. montiert ist. Der Weggeber ist hierbei dazu ausgebildet, im Messelement ein magnetisches Längsfeld zu erzeugen. Weiterhin ist das Positionserfassungsmittel dazu ausgebildet, ein Stromsignal durch das Messelement laufen zu lassen, so dass ein zweites Magnetfeld radial um das Messelement entsteht. Beim Zusammentreffen beider Magnetfelder erfolgt eine Verformung des elastischen Körpers, wodurch eine Torsionswelle durch das Messelement verläuft, welche vom Positionserfassungsmittel erfasst wird. Über die Zeitdifferenz zwischen Stromimpuls und Ankunft der Torsionswelle wird auf die Position des Weggebers und somit auf die Position des bzw. der Kolben rückgeschlossen.
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Weiterhin wird das erfindungsgemäße Problem durch ein Verfahren zum Verdichten eines insbesondere tiefkalten, fluiden Mediums, insbesondere in Form von Wasserstoff, gelöst, insbesondere unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters, wobei anspruchsgemäß das fluide Medium zumindest in dem ersten Zylinderinnenraum mittels des ersten Kolbens verdichtet wird, wobei lediglich ein Teil des Mediums (als Leckagemedium bezeichnet) durch jenen ersten Spalt in den Innenraum des Gehäuses gelangt und den Läufer sowie insbesondere auch den Stator umströmt, und wobei insbesondere die Permanentmagnete vor jenem Medium durch die Beschichtung der Permanentmagnete geschützt werden, insbesondere vor einer Hydrierung und ferner einer Versprödung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist des Weiteren vorgesehen, dass im ersten Zylinderinnenraum verdichtetes Medium aus dem ersten Zylinderinnenraum ausgegeben wird und im zweiten Zylinderinnenraum mittels des zweiten Kolbens nochmalig verdichtet wird, wobei insbesondere lediglich ein Teil des Mediums wiederum aus dem zweiten Zylinderinnenraum über den zweiten Spalt in den Innenraum des Gehäuses des Linearmotors gelangt und dort den Läufer sowie insbesondere auch den Stator umströmt.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass in den Innenraum gelangtes Medium über die erste Leckagerückleitung und/oder die zweite Leckagerückleitung zum Einlass am ersten Zylinderkopf zurückgeführt wird. Der Innenraum des Gehäuses ist somit wie oben beschrieben druckbeaufschlagt und erlaubt eine Rückführung des Leckagenmediums zum Einlass am ersten Zylinderkopf (erste Verdichterstufe des Kolbenverdichters).
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, wie oben bereits angedeutet, dass die Position des Läufers, des ersten und/oder des zweiten Kolbens vorzugsweise erfasst wird, und zwar insbesondere mit dem oben genannten Positionserfassungsmittel. Vorzugsweise wird der Hub des ersten und/oder des zweiten Kolbens so geregelt, dass der entsprechende Totraum im ersten und/oder zweiten Zylinderinnenraum verkleinert wird, um die Effizienz des Kolbenverdichters zu steigern. Der jeweilige Totraum ist dabei dasjenige Volumen, das die Stirnseite des jeweiligen Kolbens zusammen mit der umlaufenden Innenseite des jeweiligen Zylinders sowie der dem Kolben zugewandten Innenseite des jeweiligen Zylinderkopfes begrenzt. Bei verschwindendem Totraum berührt der Kolben bzw. dessen Stirnseite den jeweiligen Zylinderkopf.
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Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass das erste Medium in flüssiger Form den Kolbenverdichter zugeführt wird und im allgemeinen kurz vor dem Einleiten in die erste Zylinderkammer in den gasförmigen Zustand überführt wird, wobei bevorzugt zum Verdampfen des Mediums Umgebungswärme und/oder Abwärme des Linearmotors verwendet wird.
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Zum Zweck der Verdichtung ist vorgesehen, dass die Ansaugtemperatur des zu verdichtenden Mediums knapp über der des Gleichgewichtspunkts des entsprechenden Ansaugdrucks liegt. Neben einer Flüssigversorgung ist ferner auch eine gasförmige, tiefkalte Versorgung möglich, bei der das zu verdichtende Medium aus einer Quelle gasförmig tiefkalt in den ersten Zylinderinnenraum transportiert wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen bei der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung an Hand der Figuren erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters; und
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2 eine weitere teilweise geschnittene Ansicht des in der 1 gezeigten erfindungsgemäßen Kolbenverdichters.
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1 zeigt im Zusammenhang mit 2 einen erfindungsgemäßen Kolbenverdicher 1. Der Kolbenverdichter 1 weist einen Linearmotor 10 auf, der einen Stator aufweist, sowie einen Läufer 20, der mittels des Stators entlang einer Längsachse L hin und her bewegbar ist. Der Stator erzeugt dabei ein Magnetfeld, das mit Permanentmagneten P des Läufers 20 zusammenwirkt, so dass dieser entlang der Längsachse L hin und her bewegt wird. Stator und Läufer 20 des Linearmotors 10, der vorliegend als tubularer Linearmotor 10 ausgestaltet ist, sind dabei in einem Gehäuse 11 des Linearmotors 10 angeordnet, das einen Innenraum 100 des Linearmotors 10 begrenzt. Der Kolbenverdichter 1 weist auf beiden Seiten des Gehäuses 11 entlang der Längsachse L einen ersten Zylinder 30 sowie einen zweiten Zylinder 70 auf, die einen ersten Zylinderinnenraum 300 bzw. einen zweiten Zylinderinnenraum 700 umgeben. Diese beiden Zylinderinnenräume 300, 700 gehen von einem ersten Endabschnitt 100a bzw. einem zweiten Endabschnitt 100b des Innenraums 100 des Gehäuses 11 entlang der Längsachse L ab. Die beiden Endabschnitte 100a, 100b des Innenraums 100 des Gehäuses 11 liegen einander entlang der Längsachse L gegenüber.
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In dem ersten Zylinderinnenraum 300 gleitet ein erster Kolben 31, wobei ein umlaufender Spalt S zwischen dem Kolben 31 und einer dem ersten Kolben 31 zugewandten Innenseite 300a des ersten Zylinders 30 ausgebildet ist, der durch zumindest eine, bevorzugt durch mehrere, insbesondere geschlitzte Dichtungen 32 abgedichtet ist, welche im dynamischen Betrieb dichten, statisch jedoch nicht. Derartige geschlitzte Dichtungen 32 sind insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie an einer Stelle eine Durchtrennung aufweisen, die durch einen zur Zylinderachse der Dichtung parallelen, schrägen oder dreidimensional abgesetzten Schnitt erfolgen kann. Die Dichtung 32 kann mit einer solchen Trennung hergestellt werden, oder die Trennung wird nach der Herstellung der Dichtung 32 ausgeführt.
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In analoger Weise gleitet im zweiten Zylinderinnenraum 700 ein zweiter Kolben 70, der wiederum mit zumindest einer, bevorzugt mehreren, insbesondere geschlitzten Dichtungen 72 an einer dem zweiten Kolben 71 zugewandten Innenseite 700a des zweiten Zylinders 70 anliegt und somit einen umlaufenden zweiten Spalt S' zwischen dem zweiten Kolben 71 und der besagten Innenseite 700a des Zylinders 70 abdichtet.
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Die beiden Kolben 31, 71 der solchermaßen gebildeten Verdichterstufen oszillieren im Betrieb zwischen ihren Umkehrpunkten in den beiden Zylindern 30, 70 entlang der Längsachse L hin und her und werden jeweils durch eine Vorrichtung auf der Kolbenstange bzw. dem Läufer 20 des tubularen Linearmotors 10 zentriert und fixiert. Hierbei sitzt auf dem jeweiligen freien Ende des Läufers 20 je ein Zentrieradapter 21, 23. Die Zentrieradapter 21, 23 sind jeweils mit einem Gewinde versehen. Die Gegenringe 22, 24 sind mit einem entsprechenden Gegengewinde versehen und mit dem jeweils zugeordneten Zentrieradapter 21, 23 verschraubt, wobei die Zentrieradapter 21, 23 einerseits mit dem Läufer 20 verschraubt sind und der jeweilige Kolben 31, 71 zwischen dem jeweiligen Zentrieradapter 21, 23 und dem jeweiligen Gegenring 22, 24 eingeklemmt ist, so dass eine starre Verbindung zwischen dem Läufer 20 und den Kolben 31, 71 resuliert.
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Der zweite Kolben 71 ist dabei zweiteilig ausgeführt und weist zwei Abschnitte 710, 720 auf, wobei der erste Abschnitt 710 an dem Läufer 20 festgelegt ist, und zwar über den besagten Zentrieradapter 23 sowie den zugeordneten Gegenring 24, und wobei der zweite Abschnitt 720 des zweiten Kolbens 71 vom Innenraum 100 her in den zweiten Zylinder 700 steht und dort in den zweiten Zylinderinnenraum 700 eingesaugtes Medium M verdichtet.
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Die beiden Zylinder 31, 71 sind jeweils mit einem ersten bzw. einem zweiten Zylinderkopf 40, 80 stirnseitig verschlossen, über die das zu verdichtende Medium M in den jeweiligen Zylinder 30, 70 eingeleitet und aus dem jeweiligen Zylinderverdichtet ausgegeben wird.
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Weiterhin sind die Zylinder 30, 70 jeweils über eine Zentrierfläche eines Flansches 12 bezüglich des jeweiligen Flansches 12 zentriert, wobei jene Flansche 12 wiederum über eine Zentrierfläche zum Gehäuse 11 des Linearmotors 10 zentriert sind. Die beiden Flansche 12 sind jeweils stirnseitig am Gehäuse 11 festgeschraubt und legen somit die Zylinder 30, 70 am Gehäuse 11 fest. Die Abdichtung des Gehäuses 11 bzw. der Zylinder 30, 70 gegen die Umgebung erfolgt dabei über je einen statische Dichtung in Form eines O-Ringes 101, 102, die jeweils zwischen einem Flansch 12 und dem Gehäuse 11 angeordnet sind. Das Gehäuse 11 ist somit druckgekapselt. Der Linearmotor 10 selbst wird über eine Flanschhalterung 13 am Gehäuse 11 auf seiner jeweiligen Standfläche fixiert.
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Weiterhin besitzt jeder Kolben 31, 71 ein ringförmiges, am jeweiligen Kolben umlaufendes Führungsband 33, 73 zur Aufnahme der Radialkräfte. Wie bereits angedeutet, können bei der Pendelbewegung der beiden Kolben 31, 71 Teile des in den jeweiligen Zylinderinnenraums 300, 700 befindlichen Mediums M durch die besagte Spalte S, S' in den Innenraum 100 des Gehäuses 11 gelangen, wobei diese Dichtungsleckage über eine erste und eine zweite Leckagerückleitung 51, 52 in Form einer Rohrleitung zur Eingangsseite des Kolbenverdichters 1 zurückgeführt wird. Hierbei zweigt die erste Leckagerückleitung 51 am ersten Endabschnitt 100a des Innenraumes 100 ab und steht in Fluidverbindung mit einer Zuleitung 61, über die zu verdichtendes Medium M über einen Einlass 41 des ersten Zylinderkopfes 40 zuführbar ist. Dieser Einlass 41 ist dabei über ein Ventil in Form eines Saugventils 410 verschließbar. Durch den druckgekapselten Aufbau sowie die besagte Leckagerückführung ist der Stator und der Läufer 20 des Linearmotors 10 entsprechend dem Eingangsdruck des Kolbenverdichters 1 am Einlass 41 druckbeaufschlagt. Stator und Läufer 20 werden entsprechend vom Leckagegas M' umströmt und übertragen im Betrieb Wärme auf das Leckagegas M'. In dem ersten Zylinderinnenraum 300 mittels des ersten Kolbens 31 verdichtetes Medium M wird über einen Auslass 42 am ersten Zylinderkopf 40 ausgegeben, der mit einem Druckventil 420 verschließbar ist.
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Der erste Zylinderkopf 40 mit dem Saug- und Druckventil 410, 420 sitzt an einem Ende des ersten Zylinders 30 und wird seinerseits über ein Überwurfring am ersten Zylinder 30 mit diesem verschraubt. In der gleichen Weise ist am gegenüberliegenden Ende des zweiten Zylinders 70 der zweite Zylinderkopf 80 mit einem Überwurfring festgelegt, wobei der zweite Zylinderkopf 80 wiederum einen Einlass 81 sowie einen Auslass 82 aufweist, die mit einem Saugventil 810 bzw. Druckventil 820 verschließbar sind. Vom Auslass 42 des ersten Zylinderkopfes 40 führt eine Verbindungsleitung (nicht gezeigt) zum Einlass 41 des zweiten Zylinderkopfes 80, wobei die Zuleitung 61 und diese Verbindungsleitung vorzugsweise jeweils wärmeisoliert ausgeführt sind.
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Bei der Verdichtung eines wasserstoffhaltigen Mediums M müssen die Permanentmagnete P des Linearmotors 10 gegen die Wasserstoffmoleküle geschützt werden. Die in leistungsstarken Linearmotoren 10 eingesetzten Hochleistungsmagnete bestehen vorzugsweise aus Verbindungen der Elemente Neodym-Eisen-Bor. Neodym ist dabei ein Metall der seltenen Erden. Seltene Erden finden in Metallhydridspeichern zur Wasserstoffspeicherung Anwendung. Der dabei genutzte Effekt der Adsorption und späteren Einlagerung der Wasserstoffatome im Metallgitter ist im Linearmotor 10 äußerst unerwünscht und würde auf Dauer die Permanentmagnete P zerstören. Der Schutz gegen diese Wasserstoffspeicherung der Permanentmagnete P erfolgt vorzugsweise durch eine Nickel-Kupfer-Nickel-Beschichtung der Permanentmagnete P.
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Die Positionierung der beiden Kolben 31, 71 in den entsprechenden Zylinderinnenräumen 300, 700 erfolgt bevorzugt über ein Positionserfassungsmittel 90, bei dem es sich um ein geeignetes Wegmesssystem oder aber auch um ein geberloses Regelungssystem handeln kann. Das Antriebskonzept mittels des tubularen Linearmotors 10 erlaubt hierdurch hochdynamische Eingriffe in die Bewegungsabläufe des Kolbenverdichters 1, während des Verdichtungsprozesses. Somit wird es möglich, den Hubkolbenverdichter 1 variabel zu gestalten und auf Längenänderung in Folge von Wärmeausdehnungen zu reagieren und somit eine Hubanpassung durchzuführen. Die Anpassung des Kolbenhubs der beiden Kolben 31, 71 erwirkt somit eine Minimierung des Totraums, was sich positiv auf die Förderleistung des Kolbenverdichters 1 auswirkt.
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Die Verdichtung eines gasförmigen, tiefkalten Mediums M, insbesondere in Form von Wasserstoff, mittels des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters 1 erfolgt vorzugsweise indem der besagte Wasserstoff M durch eine bevorzugte wärmeisolierte Zuleitung 61 von einer Wasserstoffversorgung über das Saugventil 410 des ersten Zylinderkopfs 40 in den ersten Verdichtungsraum bzw. ersten Zylinderinnenraum 300 angesaugt wird, wobei im nächsten Takt der angesaugte Wasserstoff M durch den ersten Kolben 31 verdichtet wird (hierbei bewegt sich der erste Kolben 31 auf den ersten Zylinderkopf 40 zu) und durch das Druckventil 410 am ersten Zylinderkopf 40 aufgeschoben wird. Das aufgeschobene, verdichtete Gas M wird über die besagte Verbindungsleitung, die ebenfalls vorzugsweise wärmeisoliert ausgeführt wird, durch das Saugventil 810 des zweiten Zylinderkopfs 80 der zweiten Verdichterstufe angesaugt und anschließend im zweiten Zylinderinnenraum 700 durch entsprechende Bewegung des zweiten Kolbens 71 verdichtet und über das Druckventil 820 ausgeschoben. Dem Wasserstoff ist durch die Druckerhöhung eine Dichteerhöhung wiederfahren. Bauformbedingt läuft das Verdichten der ersten Stufe und das Ansaugen der zweiten Stufe umgekehrt zeitgleich ab.
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Die erfindungsgemäße Verdichtung bei niedrigen Temperaturniveaus bedeutet gleichermaßen eine geringe Entalphie-Differenz des Mediums M im Ansaugzustand zum Verdichtungsentzustand verglichen zu einem Prozess mit gleichen Druckpotentialen bei höherer Temperatur (z. B. Gas bei Raumtemperatur). Dadurch verringert sich die zur Verdichtung notwendiger Arbeit, was sich in einem verminderten Leistungsbedarf äußert.
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Die erfindungsgemäße Verdichtung bei niedrigem Temperaturniveau erlaubt es insbesondere, auf einen Zwischenkreiswärmetauscher verzichten zu können, da die Zwischenkreistemperatur in Folge einer Temperaturerhöhung durch den Verdichtungsprozess nach der ersten Verdichterstufe weiter unter der auf den Einsatzorten üblicherweise anzufindenden Umgebungstemperatur angesiedelt ist.
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Die erfindungsgemäße Verdichtung bei niedrigem Temperaturniveaus geht weiterhin mit hohen spezifischen Dichten der Medien M einher, wodurch eine für reine Gasverdichter verhältnismäßig besonders hohe Förderleistung erreicht wird.
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Durch den bevorzugt vollhermetischen Aufbau des Verdichtersystems 1 entfällt eine dynamische Abdichtung bewegter Teile gegen die Umgebung, wodurch die technisch bekannten Vorteile der statischen Dichtung genutzt werden können.
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Der vollhermetische Aufbau des Kolbenverdichtersystems 1 verbietet die Kontamination des Gehäuses 11 durch Umgebungsluft. Dies wird realisiert, indem das Gehäuse 11 ständig mit Überdruck beaufschlagt ist, der dem Eingangsdruck der ersten Verdichterstufe entspricht. Dies ermöglicht eine Rückführung der Gasleckage M' der dynamischen Kolbendichtungen 32, 72 in den jeweiligen Ansaugtrakt bzw. Zylinderinnenraum 300, 700.
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Die vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Kolbenfixierung an der Linearmotorkolbenstange bzw. an den sogenannten Läufer 20 ermöglicht einen unkomplizierten Austausch der beiden Kolben 31, 71 im Wartungsfall. Ferner können, bei gleichzeitiger Anpassung der Zylinderdurchmesser, die Kolbendurchmesser so variiert werden, dass entweder höhere Verdichtungsenddrücke erzielt werden, oder eine Erhöhung der Förderleistung erfolgt.
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Bei flüssig versorgten Verdichterstationen 1 besteht weiterhin die Möglichkeit, das in Folge eines Wärmeeintrags in den Tank entstehende Boil-Off-Gas anzusaugen und für die Verdichtung zu nutzen.
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Trotz der prozessbedingten hohen realisierbaren Förderleistung des Verdichtersystems 1 bleibt der Platzbedarf verglichen zu den gängigen Gasverdichtersystemen gering.
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Das vorstehend beschriebene Verdichtersystem 1 kann sowohl horizontal als auch vertikal mit Vorteil betrieben werden.
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In einer Ausführung des Kolbeverdichters 1 zur Wasserstoffverdichtung ist vorgesehen, dass der erste Kolben 31 einen Durchmesser von 42 mm und der zweite Kolben 71 einen Durchmesser von 16 mm aufweist. Die Frequenz der Kolbenwegegung liegt dabei vorzugsweise bei 10 Hz, Der Massenstrom des Arbeitsmediums M beträgt vorzugsweise 10 kg/h, die oszillierende Massenkraft (sich zusammensetzend aus den einzelnen oszillierenden Massenkräfte der oszillierenden Bauteile: Läufer 20, Zentrieradapter 21, 23, Gegenring 22, 24, Kolben 31, 71, Dichtung 32, 72, Führungsband 33, 73) beträgt vorzugsweise 50 kg. Der Hub der Kolben 31, 71 beträgt vorzugsweise 120 mm. Die Kolbenbewegung genügt vorzugsweise einer Sinus-Funktion. Die resultierende Verdichtungskraft beträgt 10 kN, der Footprint des Verdichters 1, d. h., die in der Draufsicht projizierte Fläche, liegt bei ca. 2,5 m × 1 m. Die vom Linearmotor 10 erreichbare Maximalkraft liegt bei 13,8 kN und die vom Linearmotor 10 erreichbare Maximalgeschwindigkeit liegt bei 4,1 m/s. Die Nennleistung des Linearmotors 10 beträgt dabei 26,6 kW.
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Der Wasserstoff wird dabei bevorzugt bei 60 K und einem Druck von 6 bara in den ersten Zylinderinnenraum
300 gegeben, verdichtet und bei 184 K und 133 bara ausgegeben und in den zweiten Zylinderinnenraum
700 gedrückt, wo er nochmalig verdichtet wird und mit 288 K und 600 bara ausgegeben wird. Bezugszeichenliste
| 1 | Kolbenverdichter |
| 10 | Linearmotor |
| 11 | Gehäuse |
| 12 | Flansch |
| 13 | Flansch |
| 20 | Läufer |
| 21 | Zentrieradapter |
| 22 | Gegenring |
| 23 | Zentrieradapter |
| 24 | Gegenring |
| 30 | Erster Zylinder |
| 31 | Erster Kolben |
| 32 | Dichtung |
| 33 | Führungsband |
| 40 | Erster Zylinderkopf |
| 41 | Einlass |
| 42 | Auslass |
| 51 | Erste Leckagerückleitung |
| 52 | Zweite Leckagerückleitung |
| 61 | Zuleitung |
| 70 | Zweiter Zylinder |
| 71 | Zweiter Kolben |
| 72 | Dichtung |
| 73 | Führungsband |
| 80 | Zweiter Zylinderkopf |
| 81 | Einlass |
| 82 | Auslass |
| 90 | Positionserfassungsmittel |
| 91 | Weggeber |
| 92 | Messelement |
| 100 | Innenraum |
| 100a | Erster Endabschnitt |
| 100b | Zweiter Endabschnitt |
| 101, 102 | O-Ringe (statische Dichtungen) |
| 300 | Erster Zylinderinnenraum |
| 300a | Innenseite |
| 400 | Gehäuse |
| 410 | Ventil (Saugventil) |
| 420 | Ventil (Druckventil) |
| 700 | Zweiter Zylinderinnenraum |
| 700a | Innenseite |
| 810 | Ventil (Saugventil) |
| 820 | Ventil (Druckventil) |
| M | Medium (z. B. Wasserstoff) |
| M' | Leckagemedium |
| P | Permanentmagnete (Läufer) |
| B | Beschichtung |
| L | Längsachse |
| S | Erster Spalt |
| S' | Zweiter Spalt |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006060147 B [0006, 0011]
- EP 1746718 B [0027]
- WO 1992019038 A [0027]
