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Die Erfindung betrifft einen Verdichter zur Druckerhöhung eines Fluids, insbesondere zum Verdichten von Wasserstoff.
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Zu den meistverwendeten Speichersystemen für Wasserstoffgas zählen Druckgasspeicher, Flüssiggasspeicher und Metallhydridspeicher. Druckgasspeicher nach dem Stand der Technik besitzen mindestens ein Ventil, das als Absperrarmatur bzw. Drosseleinrichtung dient. Zusätzlich können solche Ventile mit einer Sicherheitseinrichtung ausgerüstet sein, wobei meist Berstscheiben Anwendung finden. Die Ventile sind dabei meist über Gewinde eingeschraubt und fixiert und mit beispielsweise Teflon abgedichtet.
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Bei der Entnahme von Gas aus Druckgasflaschen mit reiner Gasphase sinkt unweigerlich der Druck des in der Flasche verbleibenden Gases. Ein Überströmen in einen weiteren Gasspeicher ist daher immer nur mit einer Druckdifferenz möglich.
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Zur Druckerhöhung nach dem Stand der Technik wird bei der Entnahme aus Gasspeichern regelmäßig ein Verdichter verwendet.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter bereitzustellen, der vom Endverbraucher, insbesondere beim Betanken eines Wasserstofftanks, insbesondere eines Wasserstofftanks für ein motorisiertes Fahrrad, bei dem Wasserstoff als Energiequelle eingesetzt wird, sicher verwendet werden kann.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein Verdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verdichters sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
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Gemäß Anspruch 1 weist der erfindungsgemäße Verdichter zur Druckerhöhung eines Fluids, insbesondere Wasserstoff, einen Saugkanal, eine Verdichtungskammer mit einem Volumen und einen Druckkanal auf, wobei die Verdichtungskammer mit dem Saugkanal in Strömungsverbindung bringbar ist, so dass über den Saugkanal Fluid (z. B. Wasserstoff) in die Verdichtungskammer einsaugbar ist, und wobei die Verdichtungskammer mit dem Druckkanal in Strömungsverbindung bringbar ist, so dass über den Druckkanal verdichtetes Fluid aus der Verdichtungskammer ausgebbar ist, wobei der Verdichter weiterhin eine Doppelmembran aufweist, die eine erste Membran und eine der ersten Membran gegenüberliegende zweite Membran, aufweist, wobei die Doppelmembran an die Verdichtungskammer angrenzt und der Verdichter dazu ausgebildet ist, die Doppelmembran mittels eines Hydraulikfluids so zu verformen, dass sich das Volumen der Verdichtungskammer in einem Drucktakt verkleinert, so dass in der Verdichtungskammer befindliches Fluid verdichtbar ist und anschließend über den Druckkanal aus der Vorrichtung ausgebbar ist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der Verdichter ein Überdruckventil aufweist, das dazu ausgebildet ist, zu öffnen und dadurch den Druckkanal mit dem Saugkanal in Strömungsverbindung zu bringen, wenn der Druck im Druckkanal eine vordefinierbare Schwelle überschreitet, so dass verdichtetes Fluid aus dem Druckkanal über den Saugkanal entweichen kann.
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Das erfindungsgemäße Überdruckventil stellt also einen (bevorzugt federbelasteten) Bypass dar, der insbesondere immer dann aktiviert wird, wenn der Ausgangsdruck des Verdichters bzw. der Druck im Druckkanal jene Schwelle überschreitet.
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Hierdurch wird der erfindungsgemäße Verdichter, der insbesondere bei Endverbrauchern Anwendung findet, wie es bei der Befüllung von Tanks für wasserstoffbetriebene Fahrräder notwendig bzw. üblich ist, mit einem vorteilhaft hohen Maß an Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit ausgestattet.
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Mittels der erfindungsgemäßen Lösung kann der Verdichter so ausgelegt werden, dass bei einem Überdruck, der normalerweise z. B. bei +10% des maximalen Druckes liegt, das Überdruckventil öffnet und das zu verdichtende Medium in einen dafür vorgesehenen Raum gefördert wird (hier über den Saugkanal) und eine entsprechende Drucksenkung stattfindet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters ist vorgesehen, dass das Überdruckventil eine Ventilkammer aufweist, wobei der Saugkanal über die Ventilkammer geführt ist, so dass zu verdichtendes Gas durch die Ventilkammer in einem Saugtakt des Verdichters in die Verdichtungskammer führbar ist.
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Die besagte Ventilkammer des Überdruckventils, die z. B. als eine abgesetzte Bohrung in einem Gehäuse des Verdichters ausgestaltet sein kann, dient also ebenfalls zur Beaufschlagung des Eingangsdruckes an der Saugseite des Verdichters.
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Besonders bevorzugt ist gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen, dass das Überdruckventil ein in der Ventilkammer angeordnetes Federmittel aufweist, sowie einen in der Ventilkammer beweglich angeordneten Ventilkörper, der eine kegelförmige Stirnseite aufweist, wobei das Federmittel gegen den Ventilkörper drückt, so dass dieser mit seiner Stirnseite gegen einen kegelförmigen umlaufenden Randbereich einer an einem Ende der Ventilkammer vorgesehenen Ventilöffnung drückt, über die der Druckkanal mit dem Saugkanal in Strömungsverbindung bringbar ist.
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Die Erfindung ermöglicht also mit Vorteil eine insbesondere mechanische Druckbegrenzung, so dass eine aufwendig elektronisch geregelte Druckbegrenzung entfallen kann, was einen geringeren Regelungsaufwand für das Gesamtsystem bedeutet.
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Das Federmittel des Überdruckventils ist insbesondere so ausgelegt, dass es bei einem Überdruck, der z. B. durch einen mechanischen Defekt im Verdichter, ferner auch durch eine volle Speicherflasche verursacht werden kann, das Überdruckventil öffnet und das zu verdichtende Fluid, insbesondere den Wasserstoff, direkt wieder auf die Saugseite durchlässt. Somit ist der Ausgangsdruck mit Vorteil stets stabilisiert auf den Eingangsdruck zuzüglich des durch die Vorspannung des Federmittels definierten Drucks. Der Vorspanndruck des Federmittels entspricht gemäß einer Ausführungsform im speziellen Anwendungsfall einer Wasserstoffbetankung vorzugsweise 40 bar. Somit erreicht der Verdichter bei einer 300 bar-Versorgung einen maximalen Ausgangsdruck von 340 bar. Bei einem höheren Druck öffnet das Sicherheitsventil.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen, dass die durch die Stirnseite gebildete Kegeloberfläche steiler ausgebildet ist, als die durch den besagten Randbereich gebildete (komplementäre) Kegeloberfläche, so dass der Ventilkörper bei geschlossenem Überdruckventil nicht vollflächig an dem Randbereich anliegt, sondern vielmehr direkt an einem umlaufenden Rand der Ventilöffnung. Dies hat den Vorteil, dass es weniger bis idealisiert gar keine Leckage gibt, was bei einer Flächendichtung schwer realisierbar ist.
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Gemäß einem Beispiel der Erfindung kann die besagte Kegeloberfläche bzw. Stirnseite des Ventilkörpers im Gegensatz zur abgesetzten Bohrung bzw. zum besagten Randbereich der Ventilöffnung (z. B. 120°), um etwa 4° steiler angeschliffen bzw. ausgebildet sein (z. B. 124°), um direkt an der Ventilöffnung bzw. Bohrungskante abzudichten.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen, dass die Ventilkammer einen Verschluss zum Verschließen und Abdichten der Ventilkammer aufweist, wobei vom Verschluss eine Führungsstange in die Ventilkammer absteht, die zum Führen des Federmittels ausgebildet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters handelt es sich bei dem Federmittel zum Beispiel um eine Schraubenfeder, insbesondere Druckfeder, die auf die Führungsstange aufgesetzt ist, so dass die einzelnen Windungen der Schraubenfeder die Führungsstange im Querschnitt umlaufen. Weiterhin kann der Ventilkörper einen mit der Führungsstange fluchtenden Abschnitt aufweisen, der an einer der Stirnseite abgewandten Seite des Ventilkörpers vorgesehen ist und ebenfalls in das Federmittel bzw. die Schraubenfeder hineinragt, so dass deren Windungen auch den besagten Abschnitt des Ventilkörpers im Querschnitt umlaufen. Zwischen dem besagten Abschnitt und einer Stirnseite der Führungsstange ist vorzugsweise eine Lücke vorhanden, die den maximalen Verfahrweg des Ventilkörpers von der Ventilöffnung weg bestimmt bzw. begrenzt. Die Führungsstange bzw. deren Stirnseite kann daher auch einen Anschlag für den Ventilkörper bilden.
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In die Ventilkammer bzw. in die abgesetzte Bohrung kann des Weiteren ein z. B. ½ Zoll-Gewinde zum Einschrauben des Verschlusses geschnitten sein.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Hydraulikfluidkammer zur Aufnahme des Hydraulikfluids sowie einen Verdrängerkolben, der in der Hydraulikfluidkammer angeordnet ist, aufweist, wobei der Verdrängerkolben dazu ausgebildet ist, das Hydraulikfluid zum Verformen der Doppelmembran gegen die Doppelmembran zu drücken. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen die Hydraulikfluidkammer und der Verdrängerkolben eine kreisförmige Querschnittsfläche auf.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Exzenter aufweist, der dazu ausgebildet ist, gegen den Verdrängerkolben zu drücken, so dass der Verdrängerkolben (im Drucktakt) das Hydraulikfluid gegen die Doppelmembran drückt. Vorzugsweise ist der Verdrängerkolben durch den Exzenter in eine periodische Hin- und Herbewegung versetzbar, so dass abwechselnd ein Druck- und ein Saugtakt vorliegen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Exzenter eine kreisförmige Querschnittsfläche oder eine Nockenform auf bzw. ist als Kurvenscheibe ausgebildet, die einen Umfang aufweisen kann, der von einer Kreisform abweicht.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Rotieren des Exzenters eine mit dem Exzenter verbundene Antriebswelle aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Exzenter durch Rotation der Antriebswelle in Rotation zu versetzen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Exzenter mit der Antriebswelle einstückig, d. h., integral, ausgeführt oder mit dieser über ein sonstiges Verbindungsmittel verbunden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebswelle dazu ausgebildet, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmoments mechanisch verbunden oder bevorzugt gekoppelt zu werden.
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Besonders bevorzugt ist die Antriebswelle der Vorrichtung dazu ausgebildet, mit einem externen, insbesondere mobilen Antrieb, gekoppelt bzw. angetrieben zu werden, so dass die Antriebswelle bestimmungsgemäß rotiert, wobei es sich bei einem derartigen Antrieb z. B. auch um eine Bohrmaschine oder einen Akkuschrauber handeln kann.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen, dass der Verdichter ein Sicherheitsventil sowie eine Ventilnocke aufweist, wobei das Sicherheitsventil in eine geöffnete Stellung bringbar ist, in der die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer des Verdichters und dem Druckkanal des Verdichters offen ist, sowie in eine geschlossene Stellung, in der die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer des Verdichters und dem Druckkanal des Verdichters durch das Sicherheitsventil unterbrochen ist, und wobei die Antriebswelle des Verdichters mit der Ventilnocke verbunden ist, derart, dass die Ventilnocke beim Rotieren der Antriebswelle das Sicherheitsventil während des Drucktakts in die geöffnete Stellung bewegt.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen, dass das Sicherheitsventil einen Ventilkolben aufweist, mit einem ersten Endabschnitt, der in einem Ventilzylinder gleitend angeordnet ist, wobei sich der Ventilzylinder durch den Druckkanal hindurch erstreckt und in eine Ventilkammer des Sicherheitsventils mündet, über die die Verdichtungskammer in Strömungsverbindung mit dem Druckkanal steht, wenn das Sicherheitsventil sich in seiner geöffneten Stellung befindet und wobei der Druckkanal bei geöffneten Sicherheitsventil sowie bei geöffnetem Überdruckventil über die Ventilkammer des Sicherheitsventils und die Ventilkammer des Überdruckventils mit dem Saugkanal in Strömungsverbindung steht. Vorzugsweise ist weiterhin gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass der Ventilkolben dazu konfiguriert ist, mit einer mit der Antriebswelle verbundenen Ventilnocke zusammen zu wirken, die vorzugsweise dazu ausgebildet ist, beim Rotieren der Antriebswelle gegen den ersten Endabschnitt des Ventilkolbens zu drücken und dabei den Ventilkolben in eine erste Position zu bewegen, die der geöffneten Stellung des Sicherheitsventils entspricht.
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Der Ventilkolben weist weiterhin bevorzugt einen zweiten Endabschnitt auf, der in dieser ersten Position in die Ventilkammer hineinragt, so dass verdichtetes Fluid am zweiten Endabschnitt vorbei über den Ventilzylinder in den Druckkanal gelangen kann.
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Der Ventilkolben ist weiterhin bevorzugt mittels des Vorspannmittels des Sicherheitsventils, das bevorzugt als Druckfeder ausgebildet ist, die insbesondere in der Ventilkammer des Sicherheitsventils angeordnet ist, und gegen den zweiten Endabschnitt des Ventilkolbens drückt, in Richtung auf eine zweite Position vorgespannt, die der geschlossenen Stellung des Sicherheitsventils entspricht. Durch diese Vorspannung bewegt sich der Ventilkolben aufgrund der Ventilnockenform im Saugtakt aus seiner ersten Position zurück in seine zweite Position, in der der zweite Endabschnitt eine Strömungsverbindung zwischen der Ventilkammer und dem Ventilzylinder (und damit auch mit dem Druckkanal) unterbricht.
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Somit ist in dieser Ausgestaltungsform das Sicherheitsventil während des Saugtakts verschlossen und während des Drucktakts geöffnet. Dadurch ergibt sich eine Abdichtung zwischen dem Druckkanal und der Verdichtungskammer. Durch diese Abdichtung wird z. B. in einem Schadensfall ein Fluidstrom unterbunden.
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Die Kopplung des Zustands des Sicherheitsventils an den Saugtakt bzw. Drucktakt des Verdichters ergibt sich durch die Ausformung der Ventilnocke und die Ausformung des Exzenters, die jeweils insbesondere fest mit der Antriebswelle verbunden sind.
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Bevorzugt ist der zweite Endabschnitt des Ventilkolbens hierzu konusförmig ausgebildet und dazu konfiguriert, in der zweiten Position des Ventilkolbens formschlüssig in einen entsprechend konusförmigen Abschnitt des Ventilzylinders einzugreifen, so dass jene Strömungsverbindung zwischen der Ventilkammer und dem Ventilzylinder bzw. Druckkanal unterbrochen wird.
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Mittels des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils sind die Steuerzeiten durch das Abändern des Nockenschliffs bzw. der Nockenform ohne weiteres anpassbar. Daher sind auch komplexe Funktionen wie sie beispielsweise aus Messungen ermittelt werden einfach realisierbar. Ein Gasstrom ist nur dann möglich, wenn entsprechend des Nockenschliffs bzw. der Nockenform auch vorgesehen ist, dass das Sicherheitsventil geöffnet ist. Im Schadensfall der Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Fluids bewegt sich das Sicherheitsventil in seine sichere Ruhestellung (geschlossene Stellung des Sicherheitsventils). Bedingt durch die geringen Reibungsverluste wird nur eine geringe Leistung zum Antrieb des Sicherheitsventils benötigt. Verglichen zu elektrischen- oder pneumatischen Isolationsventilen, stellt das erfindungsgemäße Sicherheitsventil eine besonders günstige Lösung zur Isolation der Vorrichtung von nachgeschalteten Elementen dar.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Ventilnocke und der Exzenter des Verdichters dazu ausgebildet, eine gemeinsame Rotation auszuführen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Ventilnocke eine kreisförmige Querschnittsfläche auf. Bevorzugt ist die Ventilnocke als Kurvenscheibe ausgeformt, z. B. in Form einer Kurvenscheibe geschliffen. Die Kurvenscheibe kann insbesondere einen Umfang aufweisen, der von einer Kreisform abweicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ventilnocke einstückig, d. h., integral, mit dem Exzenter ausgeformt, wobei bevorzugt der Exzenter sowie die Ventilnocke über ein Befestigungsmittel an der Antriebswelle festgelegt sind oder einstückig bzw. integral mit dieser ausgebildet sind.
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Gemäß einer weiteren, alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Ventilnocke und der Exzenter separat ausgeformt, wobei die Ventilnocke und der Exzenter miteinander und/oder jeweils separat über ein Verbindungsmittel mit der Antriebswelle verbunden sein können oder jeweils einstückig an diese angeformt sein können.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Verwendung einer doppelten Membran zur Abdichtung der Hydraulikfluidkammer. Dadurch wird einer Vermischung von Arbeits- und Hydraulikfluid wirksam entgegengewirkt, was Fehlfunktionen vorbeugt und somit eine höhere Sicherheit für den Benutzer ermöglicht.
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Als zusätzliche Sicherheitsvorrichtungen dienen in einzelnen Ausgestaltungsformen der Erfindung, die weiter unten im Detail beschrieben werden, ein Druckbegrenzungsventil und ein Sicherheitsventil, welche Gefahren für den Benutzer durch erhöhte Drücke in der Vorrichtung zur Druckerhöhung vorbeugen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Druckerhöhung ist für verschiedenste Gase und Flüssigkeiten anwendbar. Eine Adaption für ein spezifisches Fluid kann problemlos z. B. durch Anpassung der Antriebsleistung, der eingesetzten Materialien, der Volumina sowie der Dimensionierung der Wärmeüberträger erfolgen. Bevorzugt ist der Verdichter auf die Verdichtung von Wasserstoff ausgelegt.
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Bei dem zu verdichtenden Fluid kann es sich um ein Gas, ein Gasgemisch oder ein Flüssigkeits-/Gasgemisch, bevorzugt ein Gas, besonders bevorzugt Wasserstoff-Gas handeln.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Hydraulikfluid eine Hydraulikflüssigkeit, besonders bevorzugt eine inkompressible Hydraulikflüssigkeit.
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Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Doppelmembran der Vorrichtung derart abgedichtet, dass eine Vermischung des zu verdichtenden Arbeitsfluides und des Hydraulikfluids verhindert wird. Weiterhin ist bevorzugt die Doppelmembran gasdicht ausgebildet, so dass in der Verdichtungskammer befindliches Gas die Verdichtungskammer nicht durch die Doppelmembran verlassen kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung einen Einlass zum Einleiten von Fluid in den Saugkanal bzw. zum Anschließen eines ersten Fluidbehälters (z. B. Druckgasflasche, siehe unten) auf, so dass der Saugkanal in Strömungsverbindung mit dem ersten Fluidbehälter (z. B. ein Wasserstoffvorratstank) bring bar ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen Auslass zum Ausgeben von verdichtetem Fluid bzw. zum Anschließen eines zweiten Fluidbehälters (z. B. in Form eines Wasserstofftanks eines Fahrzeuges, insbesondere eines wasserstoffbetriebenen Fahrrades) oder einer Leitung auf, so dass der Druckkanal in Strömungsverbindung mit dem zweiten Fluidbehälter bzw. der Leitung bringbar ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Fluidbehälter ein Gasbehälter, vorzugsweise ein Druckgasbehälter, besonders bevorzugt eine Druckgasflasche, insbesondere zum Speichern von Wasserstoff.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung ein Saugventil auf, das dazu ausgebildet ist, die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer und dem Saugkanal während des Drucktakts zu verschließen bzw. zu unterbrechen und während des Saugtakts offen zu halten.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung ein Druckventil auf, das dazu ausgebildet ist, die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer und dem Druckkanal während des Saugtakts zu verschließen bzw. zu unterbrechen und während, insbesondere am Ende, des Drucktakts zu öffnen, so dass das verdichtete Fluid über den Druckkanal aus der Verdichtungskammer bzw. aus dem Verdichter ausgebbar ist.
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Weiterhin kann der Verdichter einen Wärmeüberträger aufweisen, der dazu ausgebildet ist, aus dem Druckkanal austretendes Fluid zu kühlen. Entsprechend ist jener Wärmeübertrager insbesondere stromab des Druckkanals bzw. am Druckkanal angeordnet. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfinder ist der besagte Wärmeüberträger dazu konfiguriert Umgebungsluft als Kühlmittel zu verwenden. Weiterhin kann der Wärmeübertrager ein flüssiges Kühlmittel verwenden und kann insbesondere zur Siedekühlung konfiguriert sein.
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Aufgrund der Verdichtung des Fluids in der Vorrichtung kann es zu einer starken Erhitzung des Fluids beim Austritt aus dem Druckkanal kommen. Beispielsweise wiese entnommenes Wasserstoffgas im Falle adiabater Fluidführung in der Vorrichtung bei einer Eingangstemperatur von 20°C, einem Eingangsdruck von 50 bar sowie einem Ausgangsdruck von 300 bar eine Austrittstemperatur am Druckkanal von 215°C auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Wärmeüberträger so ausgelegt ist, dass die Temperatur des aus dem Druckkanal austretenden Fluids um zumindest 50°C bis 175°C, insbesondere 75°C bis 175°C, insbesondere 100°C bis 175°C, insbesondere 125°C bis 175°C, insbesondere 150°C bis 175°C, insbesondere um zumindest 175°C absenkbar ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung ein Leckageanzeigemittel auf, das dazu ausgebildet ist, einen Austritt von Hydraulikfluid aus der Hydraulikfluidkammer anzuzeigen.
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Diesbezüglich ist weiterhin gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass zwischen der ersten und der zweiten Membran ein ringförmiges Element, vorzugsweise in Form einer ringförmigen Scheibe angeordnet ist, wobei das ringförmige Element zumindest einen Kanal zum Austragen von Hydraulikfluid aufweist. Hierbei steht der mindestens eine Kanal vorzugsweise mit dem Leckageanzeigemittel des Verdichters in Strömungsverbindung.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform bevorzugt vorgesehen, dass das ringförmige Element einen Außendurchmesser aufweist, der größer ist als der Außendurchmesser der beiden Membranen, so dass das ringförmige Element in radialer Richtung über die beiden Membranen hinausragt. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Innendurchmesser des ringförmigen Elements kleiner ist als der Spanndurchmesser einer Abdichtung auf der Hydraulikseite der beiden Membranen, d. h., kleiner als der äußerste Durchmesser eines die Hydraulikfluidkammer berandenden Randbereichs, der mit der Doppelmembran auf der Hydraulikseite in Berührung steht.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform bevorzugt vorgesehen, dass das ringförmige Element eine erste Seite aufweist, die der ersten Membran zugewandt ist und an dieser anliegt, und dass das ringförmige Element eine der ersten Seite abgewandte zweite Seite aufweist, die an der zweiten Membran anliegt. Auf diese Weise bildet das ringförmige Element zusammen mit den beiden Membranen einen Zwischenraum zur Aufnahme eines Leckagefluids aus.
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Insbesondere kann die erste und/oder die zweite Membran aus einem der folgenden Materialen gebildet ist oder eines der folgenden Materialien aufweist: ein Metall, austenitischer Edelstahl, Messing, ein Kunststoff, PTFE. Weiterhin kann auch das ringförmige Element aus diesen Materialien gebildet sein bzw. eines dieser Materialien aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Verdichter weiterhin ein Druckbegrenzungsventil auf. Dabei weist das Druckbegrenzungsventil einen in einem Zylinder geführten Kolben auf, wobei der Zylinder in die Hydraulikfluidkammer der Vorrichtung mündet. Das Druckbegrenzungsventil weist weiterhin ein Vorspannmittel zum Vorspannen des Kolbens gegen in der Hydraulikfluidkammer befindliches Hydraulikfluid auf. Dabei ist das Vorspannmittel dazu ausgebildet, den Kolben derart gegen das Hydraulikfluid vorzuspannen, dass sich der Kolben bei einer Überschreitung eines Maximaldrucks bewegt und dadurch den Druck des Hydraulikfluids begrenzt.
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Bei einer Überschreitung des Maximaldrucks fließt ein Teil des Hydraulikfluids aus der Hydraulikfluidkammer in den Teil bzw. Abschnitt des Zylinders, welcher in die Hydraulikfluidkammer mündet und welcher durch die Bewegung des Kolbens in Strömungsverbindung mit der Hydraulikfluidkammer gebracht wird bzw. frei gemacht wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Zylinder des Druckbegrenzungsventils durch ein Verschlussmittel gegenüber der umgebenden Atmosphäre verschlossen, wobei das Verschlussmittel insbesondere in den Zylinder hineinragt und bevorzugt mittels eines Dichtmittels abgedichtet ist. Dabei separiert das Verschlussmittel/Dichtmittel das in der Hydraulikfluidkammer befindliche Hydraulikfluid von einer Rückseite des Druckbegrenzungsventils, welches mit Atmosphärendruck belastet wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Vorspannmittel des Druckbegrenzungsventils sich an dem Verschlussmittel abstützt. Das Vorspannmittel des Druckbegrenzungsventils ist also insbesondere zwischen dem Kolben und dem Verschlussmittel des Druckbegrenzungsventils angeordnet, wobei insbesondere der besagte Kolben und das besagte Verschlussmittel in Richtung der Längs- bzw. Zylinderachse des Zylinders einander gegenüberliegen. Mit zunehmender Spannung bzw. Einfederung des Vorspannmittels bewegt sich der Kolben in Richtung auf das Verschlussmittel und der Zylinder wird zunehmend freigegeben, so dass Hydraulikfluid zur Druckbegrenzung in den Zylinder strömen kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verdrängt das durch den Verdrängerkolben der Vorrichtung verdrängte Volumen des Hydraulikfluids bei einer Überschreitung des Maximaldrucks lediglich den Kolben des Druckbegrenzungsventils. D. h., bei einer Überschreitung des Maximaldrucks des Hydraulikfluids wird die Doppelmembran nicht über ihre normale Stellung hinaus verformt bzw. bewegt und eine Überschreitung eines zulässigen Maximaldrucks in der Verdichtungskammer sowie in der Hydraulikfluidkammer wird verhindert. Gleichzeitig wird hierdurch eine übermäßige Belastung der Doppelmembran verhindert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der besagte Kolben eine kreisförmige Querschnittsfläche auf. Hierbei ist der Querschnitt des Kolbens senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens gemeint.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Vorspannmittel des Druckbegrenzungsventils als eine Druckfeder ausgestaltet, wobei die Druckfeder dazu ausgebildet ist, den Kolben gegen in der Hydraulikfluidkammer oder im Zylinder befindliches Hydraulikfluid zu drücken.
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Das Druckbegrenzungsventil ist bevorzugt derart ausgelegt, dass durch einen vergleichsweise geringen Hub des Kolbens im Druckbegrenzungsventil das durch den Verdrängerkolben verdrängte Volumen ausgeglichen werden kann. Die Vorspannkraft des Vorspannmittels des Druckbegrenzungsventils ist nur als Rückstellkraft für das Druckbegrenzungsventil vorgesehen. Als spezielle Werte seien hier Durchmesserverhältnisse zwischen dem Verdrängerkolben zu dem Kolben des Druckbegrenzungsventils genannt, die kleiner oder gleich 5 sind (z. B. zwischen 5 und 1), insbesondere kleiner oder gleich 1, insbesondere kleiner oder gleich 0,5.
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Alternativ und zusätzlich kann durch die Wahl einer im Verhältnis zum Federweg besonders langen Feder (Vorspannmittel) ein gleicher Effekt erzielt werden. Für das Vorspannmittel seien hier Verhältnisse zwischen Federlänge in einem vorgespanntem Zustand zur Federlänge im eingefedertem Zustand im Bereich von vorzugsweise 0,6 bis 1, bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 1 genannt.
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In einem speziellen Anwendungsfall ist der Betriebsdruck mit 300 bar begrenzt. Das Hubvolumen des Verdrängerkolbens beträgt dann z. B. 1,6 ccm. Der Verdrängerkolben-Durchmesser beträgt hier z. B. 20 mm. Der Kolben des Druckbegrenzungsventils besitzt dabei z. B. einen Kolbendurchmesser von 12 mm.
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Durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung in Form des Druckbegrenzungsventils entstehen im Falle einer Drucküberschreitung keine mechanischen Beschädigungen am System. Weiterhin ist das Druckbegrenzungsventil im Falle einer Drucküberschreitung mit Vorteil wiederverwendbar. Weiterhin erlaubt der einfache Aufbau des Druckbegrenzungsventils eine besonders günstige Lösung für die Sicherstellung der Druckabsicherung. Im Ergebnis unterbindet das Druckbegrenzungsventil mit Vorteil durch die ausbleibende Bewegung der Doppelmembran die Gasströmungen durch die Ventile und schützt nachfolgende Elemente vor einer Drucküberschreitung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zur Druckerhöhung beträgt der besagte Maximaldruck 100 bar bis 300 bar, insbesondere 150 bar bis 300 bar, insbesondere 200 bar bis 300 bar, insbesondere 250 bar bis 300 bar, insbesondere 300 bar.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt das Hubvolumen des Verdrängerkolbens der Vorrichtung zur Druckerhöhung 1 Kubikzentimeter bis 20 Kubikzentimeter, insbesondere 1,6 Kubikzentimeter.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Durchmesser des Querschnitts des Verdrängerkolbens der Vorrichtung zur Druckerhöhung 10 Millimeter bis 50 Millimeter, insbesondere 20 Millimeter.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Durchmesser des Querschnitts des Kolbens des Druckbegrenzungsventils der Vorrichtung zur Druckerhöhung 10 Millimeter bis 80 Millimeter, insbesondere 12 Millimeter.
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Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der erfindungsgemäße Verdichter in ein Druckgasflaschenventil integriert bzw. weist ein solches auf und erlaubt in vorteilhafter Weise eine Fluidentnahme, insbesondere Wasserstoffentnahme aus einem Gasspeicher, insbesondere aus einem Wasserstoffvorratstank, sowie insbesondere eine Überführung in einen Gas- bzw. Wasserstofftank (insbesondere eines wasserstoffbetriebenen Fahrrades), ohne einen platzraubenden, teuren und durch einen Privatanwender sicherheitstechnisch problematisch zu bedienenden externen Verdichter.
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Durch die besonders geringen Abmessungen, die Einfachheit der Bedienung, sowie insbesondere die weiter unten beschriebenen, integrierbaren Sicherheitsvorrichtungen stellt eine solche Verschmelzung eines Druckgasflaschenventils und eines Verdichters zur Verdichtung bzw. Druckerhöhung eines Fluids, insbesondere Wasserstoff, eine ideale Lösung für eine Betankung von Gastanks, insbesondere Wasserstofftanks von Fahrrädern, durch Privatanwender (home refueling) dar.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist diesbezüglich vorgesehen, dass der Einlass des Verdichters dazu ausgebildet ist, mit einer Druckgasflasche verbunden zu werden, wobei die Vorrichtung weiterhin ein Flaschenventil aufweist, das dazu konfiguriert ist, eine Strömungsverbindung zwischen dem Einlass und dem Saugkanal zu öffnen und zu schließen.
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Diese Ausgestaltung des Verdichters sieht also mit anderen Worten vor, den Verdichter als Bestandteil eines Druckgasflaschenventils auszuführen, wobei das Gehäuse des Verdichters zur Druckerhöhung und das Flaschenventil eine Einheit bilden. Der Auslasskanal des Flaschenventils, der durch das Flaschenventil vom Gasspeicher bzw. der Druckgasflasche getrennt ist, ist mit dem Saugkanal in einer derartigen Ausgestaltung verbunden.
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Bevorzugt ist der Einlass des Verdichters dazu konfiguriert, mit der Druckgasflasche in Strömungsverbindung gebracht zu werden, so dass Gas aus der Druckgasflasche über den Einlass und das Flaschenventil in den Saugkanal ausgebbar ist, und so dass insbesondere der Verdichter bzw. das Gehäuse des Verdichters samt Flaschenventil von der Druckgasflasche getragen wird bzw. tragbar ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Verdichter eine dem besagten Flaschenventil zugehörige Armatur zum Verschließen und Öffnen der Strömungsverbindung zwischen dem Einlass und dem Saugkanal auf.
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Vorzugsweise ist weiterhin der Auslass der Vorrichtung bzw. des Druckgasflaschenventils zum Anschluss eines Behälters (z. B. Wasserstofftank eines wasserstoffbetriebenen Fahrrades) oder einer Leitung konfiguriert, in den bzw. in die das Fluid gegeben werden soll.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse der Vorrichtung bzw. des Druckgasflaschenventils vorzugsweise einen maximalen Durchmesser von 150 mm sowie eine maximale Höhe von 150 mm auf.
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Beispielsweise kann mit der vorliegenden, erfindungsgemäßen Vorrichtung Wasserstoffgas aus einer Druckgasflasche mit einem Eingangsdruck von 50 bar auf einen Ausgangsdruck von 300 bar (einstufig insbesondere max. 350 bar), z. B. bei Betankung des Druckgasspeichers eines Wasserstofffahrrads- oder fahrzeugs, das Wasserstoff als Treibstoff verwendet (z. B. Brennstoffzelle), gebracht werden. Eine Befüllmenge der Verdichtungskammer beträgt beispielsweise 29 g Wasserstoffgas. Bei Zugrundelegen eines adiabatischen Verdichtungsvorgangs muss eine Energie von 87,76 kJ zugeführt werden. Somit kann bei einer typischen Antriebsleistung der Antriebswelle von 250 W ein typischer Druckgasspeicher von 1,1 l Volumen in unter 5 Minuten betankt werden.
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Dabei wird bei Annahme eines isentropischen Vorgangs bei einer Eingangstemperatur von 20°C eine Ausgangstemperatur von 215°C erreicht. Ein Wärmeüberträger führt somit bevorzugt bei Annahme eines Atmosphärendrucks von 300 bar eine Wärme von etwa 75 kJ ab. Daher ist der Wärmeüberträger typischerweise auf eine mittlere Leistung von ca. 238 W dimensioniert.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckerhöhung eines Fluids bei dem vorzugsweise eine erfindungsgemäße Vorrichtung (bzw. ein erfindungsgemäßes Druckgasflaschenventil) verwendet wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Druckerhöhung eines Fluids, bevorzugt eines Gases, insbesondere von gasförmigem Wasserstoff, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckerhöhung wird das Fluid durch den Saugkanal in die Verdichtungskammer in einem Saugtakt eingesaugt. In einem anschließenden Drucktakt wird das in der Verdichtungskammer befindliche Fluid komprimiert und durch den Druckkanal ausgegeben. Bei dem Verfahren kann unter anderem bevorzugt ein Fluid, weiter bevorzugt ein Gas, besonders bevorzugt gasförmiger Wasserstoff, aus einem ersten Gasspeicher mit einem ersten Druck in einen zweiten Gasspeicher mit einem zweiten Druck überführt werden, wobei der zweite Druck größer sein kann als der erste Druck. Alternativ kann ein Fluid, vorzugsweise Gas, besonders bevorzugt gasförmiger Wasserstoff, aus einem Gasspeicher entnommen werden.
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Demzufolge kann die erfindungsgemäße Vorrichtung/Druckgasflaschenventil bzw. das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil zur Betankung eines Fahrrades oder eines sonstigen Fahrzeuges, insbesondere Kraftfahrzeugs, mit einem Fluid, bevorzugt mit einem Gas, besonders bevorzugt mit Wasserstoff, verwendet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend bei der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:
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1: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Verdichters;
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2: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßes Druckgasflaschenventils;
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3: eine Draufsicht auf einen Zwischenring für die Doppelmembran;
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4 eine Schnittansicht des Zwischenrings gemäß 3; und
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5 eine Schnittansicht eines Druckbegrenzungsventils eines erfindungsgemäßen Verdichters.
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1 zeigt einen Verdichter 1 zur Druckerhöhung bzw. Verdichtung eines Fluids, insbesondere Wasserstoff, mit einer Verdichtungskammer 3, einem Saugkanal 4, der über einen Einlass 14 mit einem ersten Fluidbehälter (nicht gezeigt) in Strömungsverbindung bringbar ist, sowie mit einem Druckkanal 5, der über einen Auslass 15 mit einem zweiten Fluidbehälter (nicht gezeigt) in Strömungsverbindung bringbar ist. Entsprechend kann ein Fluid bzw. Gas aus dem ersten Fluidbehälter über den Saugkanal 4 in den Verdichter 1 gelangen, dort verdichtet werden und über den Druckkanal 5 in einen zweiten Fluidbehälter ausgegeben werden. Bei dem ersten Fluidbehälter kann es sich z. B. um einen Wasserstoffvorratsbehälter handeln. Der zweite Fluidbehälter kann z. B. ein Wasserstofftank eines wasserstoffbetriebenen Fahrzeugs sein, insbesondere ein wasserstoffbetriebenes Fahrrad.
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Der Verdichter 1 weist weiterhin eine Verdichtungskammer 3 auf, die mit dem Saugkanal 4 in Strömungsverbindung bringbar ist, so dass über den Saugkanal 4 Fluid in die Verdichtungskammer 3 einsaugbar ist, wobei die Verdichtungskammer 3 mit dem Druckkanal 5 in Strömungsverbindung bringbar ist, so dass über den Druckkanal 5 verdichtetes Fluid aus der Verdichtungskammer 3 ausgebbar ist. Der Verdichter 1 weist weiterhin eine Doppelmembran 6, 7 auf, die eine erste Membran 6 und eine der ersten Membran 6 gegenüberliegende zweite Membran 7, aufweist, wobei die Doppelmembran 6, 7 an die Verdichtungskammer 3 angrenzt und der Verdichter 1 dazu ausgebildet ist, die Doppelmembran 6, 7 mittels eines Hydraulikfluids so zu verformen bzw. zu beaufschlagen, dass sich das Volumen der Verdichtungskammer 3 in einem Drucktakt verkleinert, so dass in der Verdichtungskammer 3 befindliches Fluid verdichtbar ist und anschließend über den Druckkanal 5 aus dem Verdichter 1 ausgebbar ist.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Verdichter 1 ein Überdruckventil 40 aufweist, das dazu ausgebildet ist, zu öffnen und dadurch den Druckkanal 5 mit dem Saugkanal 4 in Strömungsverbindung zu bringen (insbesondere über ein geöffnetes Sicherheitsventil 19, siehe unten), wenn der Druck im Druckkanal eine vordefinierbare Schwelle überschreitet, so dass verdichtetes Fluid aus dem Druckkanal 5 über den Saugkanal 4 auf die Saugseite des Verdichters 1 entweichen kann.
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Das Überdruckventil 40 weist dabei eine Ventilkammer 41 auf, wobei der Saugkanal 4 über diese Ventilkammer 41 geführt ist, so dass zu verdichtendes Gas (insbesondere Wasserstoff) durch die Ventilkammer 41 in einem Saugtakt des Verdichters 1 in die Verdichtungskammer 3 führbar ist.
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Das Überdruckventil 40 weist weiterhin ein in der Ventilkammer 41 angeordnetes Federmittel 42 z. B. in Form einer (Flachfeder) Schrauben- bzw. Druckfeder auf, sowie einen in der Ventilkammer 41 beweglich angeordneten Ventilkörper 43, der eine kegelförmige Stirnseite 43a aufweist, wobei das Federmittel 42 gegen den Ventilkörper 43 drückt und dabei einen Abschnitt 43b des Ventilkörpers 43 umgreift, so dass dieser mit seiner Stirnseite 43a gegen einen kegelförmigen umlaufenden Randbereich 44a einer an einem Ende der Ventilkammer 41 vorgesehene Ventilöffnung 44 drückt, über die der Druckkanal 5 (insbesondere über ein Sicherheitsventil 19, siehe unten) mit dem Saugkanal 4 in Strömungsverbindung bringbar ist. Bevorzug ist hierbei vorgesehen, dass die durch die Stirnseite 43a gebildete Kegeloberfläche steiler ausgebildet ist als die durch den Randbereich 44a gebildete annähernd komplementäre Kegeloberfläche, so dass der Ventilkörper 43 bei geschlossenem Überdruckventil 40 direkt an einem umlaufenden Rand 44b der Ventilöffnung 44 anliegt, was die Dichtigkeit des Ventils 40 verbessert.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Ventilkammer 41 einen Verschluss 45 zum Verschließen und Abdichten der Ventilkammer 41 aufweist, wobei sich vom Verschluss 45 aus eine Führungsstange 46 in die Ventilkammer 41 erstreckt (koaxial zur Ventilkammer 41), die zum Führen des Federmittels 42 ausgebildet ist. Dieses sitzt auf der Führungsstange 46, so dass die Windungen des Federmittels 42 die Führungsstange 46 umlaufen, und stützt sich dabei am Verschluss 45 ab, der ein Widerlager für das Federmittel 42 bildet.
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Der Strömungspfad, über den bei einem Öffnen des Überdruckventils 40 unter Druck stehendes Fluid, insbesondere Wasserstoff, vom Druckkanal 5 in den Saugkanal 4 (also im Bypass an der Verdichtungskammer 3 vorbei) geleitet wird, wird insbesondere über ein Sicherheitsventil 19 geführt, das durch eine Ventilnocke 20 (siehe unten) angetrieben bzw. gestellt wird. Hierdurch ist das Sicherheitsventil 19 in eine geöffnete Stellung bringbar, in der die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer 3 des Verdichters 1 und dem Druckkanal 5 des Verdichters 1 offen ist, sowie in eine geschlossene Stellung, in der die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer 3 des Verdichters 1 und dem Druckkanal 5 des Verdichters 1 durch das Sicherheitsventil 19 unterbrochen ist, wobei die Ventilnocke 20 beim Rotieren das Sicherheitsventil 19 während des Drucktakts in die geöffnete Stellung bewegt. Insbesondere bei geöffnetem Sicherheitsventil 19 bzw. bei zu hohem Druck nach dem Druckventil 13 wird bei einem Öffnen des Überdruckventils 40 die besagte Strömungsverbindung zwischen dem Druckkanal 5 und dem Saugkanal 4 hergestellt, so dass bei einem zu hohem Druck des verdichteten Gases der Bypass über das Überdruckventil 40 in den Saugkanal 4 geöffnet wird und das Gas über die Saugseite entweichen kann (siehe oben).
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Zum Verdichten des Fluids wird dieses vom Einlass 14 her über den Saugkanal 4 in die Verdichtungskammer 3 geleitet und über den Druckkanal 5 verdichtet am Auslass 15 ausgegeben. Der Saugkanal 4 und der Druckkanal 5 münden hierzu jeweils in die Verdichtungskammer 3 bzw. sind mit dieser geeignet in Strömungsverbindung bringbar. Dabei ist eine Strömungsverbindung zwischen dem Saugkanal 4 und der Verdichtungskammer 3 durch ein Saugventil 12 unterbrechbar, das dazu konfiguriert ist, sich beim Überschreiten einer maximalen Druckdifferenz zwischen Saugkanal 4 und Verdichtungskammer 3 zu öffnen, so dass zu verdichtendes Fluid während eines Saugtakts über den Saugkanal 4 und das (geöffnete) Saugventil 12 in die Verdichtungskammer 3 gelangt. Während dessen ist ein Druckventil 13 geschlossen und unterbricht eine Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer 3 und dem Druckkanal 5.
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Das Druckventil 13 ist dabei dazu konfiguriert, sich beim Überschreiten einer maximalen Druckdifferenz zwischen der Verdichtungskammer 3 und dem Druckkanal 5 zu öffnen, und zwar während eines Drucktakts, der sich an den Saugtakt anschließt (während des Drucktakts ist das Saugventil 12 geschlossen). Bei den beiden Ventilen 12, 13 kann es sich um federvorgespannte Kugelventile oder sonstige geeignete Ventile handeln.
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Zum Verdichten bzw. Einsaugen des Fluids weist der Verdichter eine mit einem Hydraulikfluid bzw. einer Hydraulikflüssigkeit gefüllte Hydraulikfluidkammer 8 auf, z. B. in Form einer zylindrischen Ausnehmung, die an die Verdichtungskammer 3 angrenzt. In der Hydraulikfluidkammer 8 ist ein zylindrischer Verdrängerkolben 9 gleitend angeordnet, so dass der Verdrängerkolben 9 einen Querschnitt der Hydraulikfluidkammer 3, der quer zu einer Bewegungsrichtung des Verdrängerkolbens 9 verläuft, ausfüllt und in der Bewegungsrichtung in der Hydraulikfluidkammer 8 hin und her bewegbar ist. Hierbei ist der Verdrängerkolben mittels umlaufender Dichtungen 9a abgedichtet.
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Die Hydraulikfluidkammer 8 wird hierbei an einer ersten Seite durch eine Stirnseite des Verdrängerkolbens 9 abgeschlossen bzw. begrenzt. An einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite grenzt die Verdichtungskammer 3 an die Hydraulikfluidkammer 8 an, wobei zwischen der Verdichtungskammer 3 und der Hydraulikfluidkammer 8 die besagte Doppelmembran 6, 7 angeordnet ist.
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Die Doppelmembran 6, 7 trennt somit die Hydraulikfluidkammer 8 von der Verdichtungskammer 3 ab und dichtet die Hydraulikfluidkammer 8 an der zweiten Seite gegen einen Austritt von Hydraulikfluid ab. Wie aus 1 ersichtlich ist, erstreckt sich die Doppelmembran 6, 7 entlang einer Erstreckungsebene, die parallel zu dem besagten Querschnitt der Kammer 8 bzw. der Stirnseite des Verdrängerkolbens 9 verläuft. Die Bewegungsrichtung des Kolbens 9 verläuft somit senkrecht zur Erstreckungsebene der Doppelmembran 6, 7. Wenn der Verdrängerkolben 9 in seiner Bewegungsrichtung auf die gegenüberliegende Doppelmembran 6, 7 zu bewegt wird, wird die Doppelmembran 6, 7 mit Hydraulikfluid beaufschlagt und in Richtung auf die Verdichtungskammer 3 ausgelenkt, was dem Drucktrakt entspricht.
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Im Saugtakt hingegen wird die Doppelmembran 6, 7 durch die Kraft resultierend aus dem rückexpandierenden Fluid bzw. Gas und dem durch das Saugventil 12 nachströmenden Fluid bzw. Gas in Richtung auf die Hydraulikfluidkammer 8 bewegt, so dass der Verdrängerkolben 9 in der Bewegungsrichtung von der Doppelmembran 6, 7 weg bewegt wird, wobei die Verdichtungskammer 3 ihr Volumen erhöht
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Der Durchmesser D' der insbesondere kreisförmigen Doppelmembran 6, 7 ist größer als der Innendurchmesser des besagten Querschnitts der Hydraulikfluidkammer 8, so dass die Öffnung der Hydraulikfluidkammer 8 an der zweiten Seite durch die Doppelmembran 6, 7 verschließbar ist.
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In der 1 ist die Doppelmembran 6, 7 in einer Position abgebildet, welche dem Ende des Drucktakts des Verdichters 1 entspricht. Somit ist die Doppelmembran 6, 7 in der gezeigten Position in Richtung der Verdichtungskammer 3 gewölbt.
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Weiterhin ist in 1 ein Leckageanzeigemittel 16 zum Anzeigen eines Austritts von Hydraulikfluid aus der Hydraulikfluidkammer 8 gezeigt. Das Leckageanzeigemittel 16 ist an einer der Hydraulikfluidkammer 8 abgewandten Seite der Doppelmembran 6, 7 angeordnet und steht über eine Strömungsverbindung 103 mit jener Stirnseite der Kammer 8 an einem äußeren Rand der Doppelmembran 6, 7 bzw. mit zumindest einem Kanal 102 eines ringförmigen Elements 100 (auch als Zwischenring oder Leckagering bezeichnet) in Strömungsverbindung, das zwischen den beiden Membranen 6, 7 angeordnet ist (siehe unten). Auf diese Weise ist insbesondere Leckagefluid, dass die erste Membran 6 durchdringt und in einen Zwischenraum zwischen die beiden Membranen 6, 7 gelangt, mittels des Leckageanzeigemittels 16 detektierbar. Das Leckageanzeigemittel 16 kann hierzu eine Aufnahme zur Aufnahme des Leckagefluids aufweisen, das dann visuell in der Aufnahme erfassbar ist.
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Bei dem ringförmigen Element 100 handelt es bevorzugt um eine ringförmige flache Scheibe, wobei das ringförmige Element 100 zumindest einen Kanal 102, bevorzugt mehrere Kanäle 102 aufweist, der bzw. die bevorzugt gemäß den 3 und 4 ausgebildet sind. Die Kanäle 102 sind zum Austragen von Hydraulikfluid ausgebildet, das sich bei einem Defekt der ersten Membran 6 in einem Zwischenraum 101 sammelt, der von dem Leckagering 100 und den beiden Membranen 6, 7 begrenzt wird. Der mindestens eine Kanal 102 bzw. die mehreren Kanäle 102 erstrecken sich hierzu insbesondere von einer zentralen Öffnung des ringförmigen Elements 100, die durch das Element 100 definiert bzw. umgeben ist zu einem äußeren Rand bzw. zu einer Außenseite des ringförmigen Elementes 100 und stehen über die Strömungsverbindung 103 mit dem Leckageanzeigemittel 16 in Strömungsverbindung.
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Wie den 3 und 4 weiterhin zu entnehmen ist, ist im Einzelnen bevorzugt vorgesehen, dass das erfindungsgemäße ringförmige Element 100 eine erste Seite 100a aufweist, die der ersten Membran 6 zugewandt ist und an dieser anliegt, sowie eine der ersten Seite 100a abgewandte zweite Seite 100b, die an der zweiten Membran 7 anliegt. Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass das ringförmige Element 100 einen Außendurchmesser D aufweist, der größer ist als der Außendurchmesser D' der beiden Membranen 6, 7, so dass das ringförmige Element 100 in radialer Richtung R über die beiden Membranen 6, 7 hinausragt. Weiterhin ist der Innendurchmesser I des ringförmigen Elementes 100 (also der Durchmesser der besagten zentralen Öffnung) kleiner als ein Spanndurchmesser D'' einer umlaufenden Abdichtung auf der Hydraulikseite. Der Spanndurchmesser D'' entspricht somit einem äußersten Durchmesser eines die Hydraulikfluidkammer 8 berandenden Randbereiches, der mit der Membran 6 in Berührung steht.
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Der mindestens eine Kanal 102 bzw. die Kanäle 102 sind des Weiteren gemäß 3 und 4 vorzugsweise als längserstreckte Vertiefungen oder Rinnen in die erste oder die zweite Seite 100a, 100b des Leckagerings 100 eingebracht.
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Vorzugsweise (wie in den 3 und 4 gezeigt) weist der Leckagering 100 eine Mehrzahl an parallelen Kanälen 102 auf, die sich äquidistant und parallel zueinander auf der ersten Seite 100a sowie parallel und äquidistant zueinander auf der zweiten Seite 100b erstrecken, wobei die Kanäle 102 auf der ersten Seite 100a versetzt zu den Kanälen 102 auf der zweiten Seite 100b angeordnet sind.
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Wie oben bereits dargelegt, können die erste und/oder die zweite Membran 6, 7 z. B. aus einem Metall, insbesondere austenitischer Edelstahl, Messing, oder einem Kunststoff, wie z. B. PTFE, gebildet sein. Der Zwischenring 100 kann auch aus einem dieser Materialien bestehen.
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Gemäß 1 weist der Verdichter 1 weiterhin eine Antriebswelle 11 auf, die sich entlang einer Längs- bzw. Zylinderachse insbesondere parallel zur Erstreckungsebene der Doppelmembran 6, 7 erstreckt und zwar insbesondere senkrecht zur Bewegungsrichtung des Verdrängerkolbens 9. Die Antriebswelle 11 ist dabei auf einer von der Doppelmembran 6, 7 abgewandten Seite des Verdrängerkolbens 9 vorgesehen und ist zum Antreiben des Verdrängerkolbens 9 mit einem Exzenter 10 verbunden. Die Antriebswelle 11 weist insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt auf und verfügt an einem freien Ende (an einer Außenseite des Verdichters 1) über einen Endabschnitt 11a, der zur Kopplung der Antriebswelle 11 mit einer (insbesondere externen) Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmoments eingerichtet und vorgesehen ist. Das besagte Drehmomenterzeugungsmittel kann dabei z. B. form- und/oder kraftschlüssig in dem Endabschnitt 11a angreifen. Die Antriebswelle 11 ist über geeignete Lager 11b, 11c gelagert.
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Der Exzenter 10 ist insbesondere so an der Antriebswelle 11 vorgesehen, dass er sich im Drucktakt der Vorrichtung 1 beim Rotieren der Antriebswelle 11 um die Längsachse der Antriebswelle 11 auf den Verdrängerkolben 9 zu bewegt und diesen dabei gegen das Hydraulikfluid in der Kammer 8 drückt, so dass die Doppelmembran 6, 7 das zuvor im Saugtakt in die Verdichtungskammer 3 gesaugte Fluid im Drucktakt verdichtet und über den Druckkanal 5 bei geöffnetem Druckventil 13 ausgibt.
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Das oben bereits erwähnte Sicherheitsventil 19 des Verdichters 1 ist im Einzelnen dazu konfiguriert, die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer 3 und dem Druckkanal 5 zu unterbrechen bzw. den Druckkanal 5 zu verschließen. Das Sicherheitsventil 19 weist hierzu einen Ventilkolben 31 auf, mit einem ersten Endabschnitt 32, der in einem Ventilzylinder 32a gleitend angeordnet ist und insbesondere mittels einer Dichtung 32b abgedichtet ist. Der Ventilzylinder 32a erstreckt sich mit einem Abschnitt durch den Druckkanal 5 hindurch, wobei jener Abschnitt einen geringeren Innendurchmesser aufweist als derjenige Abschnitt des Ventilzylinders 32a, der den ersten Endabschnitt 32 des Ventilkolbens 31 aufnimmt, und mündet in eine Ventilkammer 33 des Sicherheitsventils 19, über die die Verdichtungskammer 3 in Strömungsverbindung mit dem Druckkanal 5 steht, wenn das Sicherheitsventil 19 sich in seiner geöffneten Stellung (insbesondere während des Drucktakts) befindet.
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Der Ventilkolben 31 wirkt, wie bereits dargelegt, mit einer Ventilnocke 20 zusammen, die mit der Antriebswelle 11 verbunden ist und dazu ausgebildet ist, beim Rotieren der Antriebswelle 11 gegen den ersten Endabschnitt 32 des Ventilkolbens 31 zu drücken und dabei den Ventilkolben 31 in eine erste Position zu bewegen, die der geöffneten Stellung des Sicherheitsventils 19 entspricht. In dieser ersten Position des Ventilkolbens 31 ragt ein zweiter Endabschnitt 30 des Ventilkolbens 31 in die Ventilkammer 33 hinein, so dass verdichtetes Fluid am zweiten Endabschnitt 30 vorbei über den Ventilzylinder 32a in den Druckkanal 5 gelangen kann. Der Ventilkolben 31 ist weiterhin mittels eines Vorspannmittels 29, bevorzugt in Form einer Druckfeder 29, die in der Ventilkammer 33 angeordnet ist und gegen den zweiten Endabschnitt 30 des Ventilkolbens 31 drückt, in Richtung auf eine zweite Position vorgespannt, die der geschlossenen Stellung des Sicherheitsventils 19 entspricht. Durch diese Vorspannung bewegt sich der Ventilkolben 31 aufgrund der Ventilnockenform im Saugtakt aus seiner ersten Position zurück in seine zweite Position, in der der zweite Endabschnitt 30 eine Strömungsverbindung zwischen der Ventilkammer 33 und dem Ventilzylinder 32a (und damit auch mit dem Druckkanal 5) unterbricht. Hierzu ist der zweite Endabschnitt 30 des Ventilkolbens 31 bevorzugt konusförmig ausgebildet und greift in der zweiten Position des Ventilkolbens 31 formschlüssig in einen entsprechend konusförmigen Abschnitt 32c des Ventilzylinders 32a ein, so dass jene Strömungsverbindung zwischen der Ventilkammer 33 und dem Ventilzylinder 32a bzw. Druckkanal 5 unterbrochen wird.
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Die Ventilnocke 20 kann insbesondere integral mit dem Exzenter 10 ausgeformt sein. In der 1 befindet sich die Ventilnocke 20 in einer maximal ausgestellten Position bezüglich des Ventilkolbens 31, d. h., dieser ist durch die Ventilnocke 20 gerade in seine erste Position vorgerückt worden, und zwar gegen die Vorspannung der vierten Druckfeder 29, so dass die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer 3 und dem Druckkanal 5 geöffnet ist.
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Schließlich kann der Verdichter 1 gemäß 5 weiterhin ein Druckbegrenzungsventil 18 mit einem Kolben 22, einem Zylinder 21, und einem Vorspannmittel 35, bevorzugt in Form einer Druckfeder 35, aufweisen.
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Der Kolben 22 des Druckbegrenzungsventils 18 ist dabei in dem Zylinder 21 gleitend angeordnet und stützt sich über das Vorspannmittel 35 an einem Verschlussmittel 26a ab, das den Zylinder 21 nach außen hin an einem ersten Ende des Zylinders 21 verschließt, wobei weiterhin der Zylinder 21 an einem gegenüberliegenden zweiten Ende in die Hydraulikfluidkammer 8 der Vorrichtung 1 mündet.
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Weiterhin ist vorzugsweise ein Dichtmittel 26 vorgesehen, dass am Verschlussmittel 26a umläuft und den Zylinder 21 gegen die Umgebung der Vorrichtung 1 abdichtet.
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Der Kolben 22 wird bei Erreichen eines Maximaldrucks in der Hydraulikfluidkammer gegen die Federkraft des Vorspannmittels 35 im Zylinder 21 von der Kammer 8 wegbewegt, wodurch sich das Volumen der Kammer 8 effektiv erhöht und entsprechend der darin herrschende Druck auf den besagten Maximaldruck begrenzt wird.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines weiteren Aspekts der Erfindung, bei der ein erfindungsgemäßer Verdichter 1 als ein Druckgasflaschenventil ausgebildet ist bzw. in ein solches integriert ist, d. h., es ist ein Gehäuse 24 des Verdichters 1 vorgesehen, das mit einem Flaschenventil 25a zum Absperren des Saugkanals 4 eine Einheit bildet.
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Im Einzelnen weist diese Ausführung der Vorrichtung 1 gemäß 2 weiterhin einen Einlass 25 auf, der zum Anschließen einer Druckgasflasche (z. B. ein Wasserstoffvorratsbehälter) 2 konfiguriert ist, so dass der Verdichter 1 insbesondere von der Druckgasflasche 2 getragen wird, sowie einen am Gehäuse 24 vorgesehenen Auslass 34, der zum Anschließen eines zu befüllenden Behälters (z. B. Gastank, insbesondere Wasserstofftank eines wasserstoffbetriebenen Fahrzeugs, insbesondere Fahrrad) bzw. einer entsprechenden Leitung ausgebildet ist. Der Einlass 25 ist mit dem Saugkanal 4 des Druckgasflaschenventils 2 in Strömungsverbindung bringbar, und zwar über das Ventil 25a, das z. B. händisch betätigbar ist (z. B. über eine entsprechende Armatur).
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Bei geöffnetem Flaschenventil 25a ist somit Fluid aus einer an das Druckgasflaschenventil 1 angeschlossenen Druckgasflasche 2 durch den Einlass 25 und den Saugkanal 4 in den Verdichter 1 bzw. das Druckgasflaschenventil 1 einsaugbar, mittels des Verdichters 1 komprimierbar und durch den Druckkanal 5 und Auslass 34 bei erhöhtem Druck ausgebbar.
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Aus dem Gehäuse
24 ragt weiterhin ein Endabschnitt
11a der Antriebswelle
11 des Verdichters
1 heraus, über den in der oben beschriebenen Weise ein Drehmoment auf die Antriebswelle
11 übertragen werden kann, die das Druckgasflaschenventil/Verdichter
1 zur Verdichtung des Fluids antreibt. Bezugszeichenliste
| Verdichter bzw. Druckgasflaschenventil | 1 |
| Druckgasflasche | 2 |
| Verdichtungskammer | 3 |
| Saugkanal | 4 |
| Druckkanal | 5 |
| erste Membran | 6 |
| zweite Membran | 7 |
| Hydraulikfluidkammer | 8 |
| Verdrängerkolben | 9 |
| Dichtung | 9a |
| Exzenter | 10 |
| Antriebswelle | 11 |
| Endabschnitt | 11a |
| Lager | 11b, 11c |
| Saugventil | 12 |
| Druckventil | 13 |
| Einlass | 14 |
| Auslass | 15 |
| Leckageanzeigemittel | 16 |
| Druckbegrenzungsventil | 18 |
| Sicherheitsventil | 19 |
| Ventilnocke | 20 |
| Zylinder | 21 |
| Kolben | 22 |
| Gehäuse | 24 |
| Dichtmittel | 26 |
| Verschlussmittel | 26a |
| Vorspannmittel | 29, 35 |
| Erster Endabschnitt | 30 |
| Ventilkolben | 31 |
| Zweiter Endabschnitt | 32 |
| Ventilzylinder | 32a |
| Dichtung | 32b |
| Konusförmige Abschnitt | 32c |
| Ventilkammer | 33, 41 |
| Überdruckventil | 40 |
| Ventilkörper | 43 |
| Kegelförmige Stirnseite | 43a |
| Abschnitt | 43b |
| Ventilöffnung | 44 |
| Kegelförmiger Randbereich | 44a |
| Rand | 44b |
| Führungstange | 46 |
| Ringförmiges Element (Leckagering) | 100 |
| Erste Seite | 100a |
| Zweite Seite | 100b |
| Zwischenraum | 101 |
| Kanal | 102 |
| Strömungsverbindung | 103 |
| Außendurchmesser | D, D' |
| Spanndurchmesser | D'' |
| Innendurchmesser | I |
