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Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere Membranverdichter, zur Druckerhöhung eines Fluids.
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Membranen in Verdichtern müssen so ausgelegt sein, dass sie eine besonders hohe elastische Verformung zulassen, zusätzlich aber so stabil sind, dass sie einerseits hohe Drücke widerstehen können und ferner eine hohe Wechselfestigkeit besitzen.
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Hierbei ist es wünschenswert, einen Membranbruch zuverlässig detektieren zu können, um einerseits ein unkontrolliertes Entweichen von Hydraulik- oder Arbeitsfluid zu vermeiden bzw. die Verdichterperformance aufrecht zu erhalten, und um andererseits Schäden am Triebwerk zu vermeiden.
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Beim Einsatz einer Doppelmembran kommt es zur Abdichtung zwischen den beiden einander gegenüberliegenden bzw. aneinander anliegenden Membranen, wodurch die Feststellung einer Leckage zwischen den beiden Membranen nicht ohne weiteres möglich ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter der eingangs genannten Art bereitzustellen, der eine verbesserte Leckageerkennung ermöglicht.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein Verdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 offenbart. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verdichters sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
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Gemäß Anspruch 1 ist ein Verdichter zum Verdichten eines Fluids vorgesehen, mit: einer ersten Membran und einer der ersten Membran gegenüberliegenden zweite Membran, wobei die erste Membran an eine Hydraulikfluidkammer des Verdichters angrenzt, und wobei die zweite Membran an eine Verdichtungskammer des Verdichters angrenzt, wobei der Verdichter dazu ausgebildet ist, die erste Membran mittels eines in der Hydraulikfluidkammer befindlichen Hydraulikfluids bzw. Arbeitsfluids zu beaufschlagen und zusammen mit der zweiten Membran so zu verformen bzw. auszulenken, dass in der Verdichtungskammer befindliches Fluid verdichtet wird. Diesbezüglich ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen der ersten und der zweiten Membran ein ringförmiges Element angeordnet ist, das hierin auch als Leckagering oder Zwischenring bezeichnet wird, wobei das ringförmige Element zumindest einen Kanal zum Austragen von Hydraulikfluid aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Leckagering auch mehrere derartige Kanäle aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters ist vorgesehen, dass der mindestens eine Kanal mit einer Leckageanzeigeeinrichtung des Verdichters in Strömungsverbindung steht, ggf. über einen Strömungspfad, der z. B. in das Gehäuse des Verdichters eingebracht ist.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen, dass das ringförmige Element als eine ringförmige Scheibe ausgebildet ist, die eine zentrale Öffnung umgibt bzw. definiert. Der mindestens eine Kanal stellt dabei eine Strömungsverbindung zwischen der zentralen Öffnung und einer Außenseite des Leckagerings bzw. der Doppelmembran her. Im Bereich der Öffnung können die beiden Membranen der Doppelmembran aneinander anliegen, z. B. wenn die erste Membran mit Hydraulikfluid beaufschlagt wird und entsprechend gegen die zweite Membran drückt, die an die Verdichtungskammer angrenzt.
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Bevorzugt ist der mindestens eine Kanal als längs erstreckte Vertiefung oder Rinne in die erste oder die zweite Seite des Leckagerings eingebracht.
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Vorzugsweise weist der Leckagering gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Mehrzahl an parallelen Kanälen auf, die sich äquidistant und parallel zueinander auf der ersten Seite sowie parallel und äquidistant zueinander auf der zweiten Seite des ringförmigen Elements erstrecken, wobei die Kanäle auf der ersten Seite versetzt zu den Kanälen auf der zweiten Seite des Zwischenrings angeordnet sind.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters 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 mit einem umlaufenden Randabschnitt hinausragt.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters ist vorgesehen, dass der Innendurchmesser des ringförmigen Elements kleiner ist als der Spanndurchmesser einer Abdichtung auf der Hydraulikseite, 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 bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen, dass das ringförmige Element eine erste Seite aufweist, die der ersten Membran zugewandt ist und an dieser anliegt, sowie eine der ersten Seite abgewandte zweite Seite, die an der zweiten Membran anliegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters ist weiterhin vorgesehen, dass das ringförmige Element zusammen mit den beiden Membranen einen Zwischenraum zur Aufnahme eines Leckagefluids bildet. Hierbei handelt es sich z. B. um Hydraulikfluid, das aus der Hydraulikfluidkammer durch eine defekte erste Membran sickert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters ist weiterhin vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Membran aus einem der folgenden Materialen gebildet ist bzw. sind oder eines der folgenden Materialien aufweist bzw. aufweisen: ein Metall, austenitischer Edelstahl, Messing, ein Kunststoff, PTFE. Weiterhin kann auch das ringförmige Element aus einem dieser Materialien gebildet sein bzw. eines dieser Materialien aufweisen.
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Der mindestens eine Kanal kann z. B. durch Ätzen oder formgebende Bearbeitungsverfahren in das ringförmige Element eingebracht sein bzw. werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass der Verdichter einen Saugkanal sowie einen Druckkanal aufweist. Dabei ist die Verdichtungskammer vorzugsweise mit dem Saugkanal in Strömungsverbindung bringbar, so dass über den Saugkanal Fluid in die Verdichtungskammer einsaugbar ist. Weiterhin ist die Verdichtungskammer bevorzugt mit dem Druckkanal in Strömungsverbindung bringbar, so dass über den Druckkanal verdichtetes Fluid aus der Verdichtungskammer ausgebbar ist. Der Verdichter ist weiterhin bevorzugt dazu ausgebildet, die Doppelmembran bzw. die beiden Membranen mittels eines Hydraulikfluids so zu verformen bzw. zu bewegen, dass sich das Volumen der Verdichtungskammer des Verdichters in einem Drucktakt verkleinert, so dass in der Verdichtungskammer verdichtetes Fluid über den Druckkanal aus dem Verdichter ausgebbar ist, wobei in einem Saugtakt hingegen die beiden Membranen durch eine Kraft resultierend aus dem rückexpandierenden Fluid und dem durch das Saugventil nachströmenden Fluid in Richtung auf die Hydraulikfluidkammer bewegt werden, so dass der Verdrängerkolben von den beiden Membranen bzw. der Doppelmembran weg bewegt wird, wobei die Verdichtungskammer ihr Volumen erhöht.
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Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der erfindungsgemäße Verdichter in ein Druckgasflaschenventil integriert und erlaubt in vorteilhafter Weise eine Fluidentnahme aus einem Gasspeicher ohne einen platzraubenden, teuren und durch einen Privatanwender sicherheitstechnisch problematisch zu bedienenden externen Verdichter. Durch die besonders geringen Abmessungen, die Einfachheit der Bedienung, sowie insbesondere die weiter unten beschriebenen, integrierbaren Sicherheitsvorrichtungen stellt eine solche Verschmelzung eines Druckgasflaschenventils und einem Verdichter zur Verdichtung bzw. Druckerhöhung eines Fluids eine ideale Lösung für eine Betankung von Gastanks, z. B. Wasserstofftanks, durch Privatanwender (home refueling) dar.
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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 dem Verdichter vorbeugen. Der Verdichter kann außerdem einen Wärmeüberträger zur Kühlung von austretendem Gas umfassen, wodurch der Benutzer vor möglichen Verbrühungen durch austretendes heißes Gas geschützt wird.
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Ein erfindungsgemäßer Verdichter 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.
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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 des Verdichters 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 bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Verdichter weiterhin eine Hydraulikfluidkammer zur Aufnahme des Hydraulikfluids auf sowie einen Verdrängerkolben, der in der Hydraulikfluidkammer angeordnet ist bzw. in diese hineinragt. Dabei ist der Verdrängerkolben dazu ausgebildet, das Hydraulikfluid zum Verformen bzw. Bewegen der Doppelmembran gegen die Doppelmembran zu drücken.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen die Hydraulikfluidkammer und der Verdrängerkolben eine kreisförmige Querschnittsfläche auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Verdichter zur Druckerhöhung einen Exzenter auf, der dazu ausgebildet ist, gegen den Verdrängerkolben zu drücken, so dass der Verdrängerkolben das Hydraulikfluid im Drucktakt 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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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Vordichter zur Druckerhöhung eines Fluids zum Antreiben bzw. Rotieren des Exzenters eine mit dem Exzenter gekoppelte Antriebswelle auf. Hierbei kann der Exzenter an der Antriebswelle festgelegt sein. Die Antriebswelle ist bevorzugt dazu ausgebildet, den Exzenter durch Drehung der Antriebswelle um deren Längs- bzw. Zylinderachse in die besagte 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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Die Antriebswelle steht bevorzugt mit einem Endabschnitt aus einem Gehäuse des Verdichters hinaus, so dass z. B. ein externer und/oder mobiler Antrieb mit der Antriebswelle verbunden werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebswelle, insbesondere der besagte Endabschnitt, dazu ausgebildet, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmoments mechanisch verbunden oder bevorzugt gekoppelt zu werden.
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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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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.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Verdichter 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 bringbar ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Verdichter einen Auslass zum Ausgeben von verdichtetem Fluid bzw. zum Anschließen eines zweiten Fluidbehälters (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.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Verdichter 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 weist das Saugventil einen ersten Körper, insbesondere in Form einer Kugel, sowie ein (erstes) Vorspannmittel, bevorzugt eine (erste) Druckfeder, auf. Dabei ist das erste Vorspannmittel so spannbar, dass der erste Körper mittels des gespannten ersten Vorspannmittels in einer Position haltbar ist, in der der erste Körper die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer und dem Saugkanal verschließt. Ein solches Ventil wird auch als federvorgespanntes Kugelventil bezeichnet.
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Bei dem Saugventil kann es sich insbesondere auch um ein Flatterventil handeln, insbesondere aus einem faserverstärktem (z. B. Carbonfasern) Kunststoff, hierbei bildet der erste Körper auch gleichzeitig das (zweite) Vorspannmittel. Derartige Flatterventile sind dazu ausgebildet sich ohne separaten Antrieb aufgrund von Druckunterschieden auf den beiden Ventilseiten in Durchlassrichtung zu öffnen sowie selbsttätig wieder zu schließen. Das Flatterventil bzw. der entsprechende Körper weist dabei elastische Eigenschaften auf, die die Schließung des Flatterventils ermöglichen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Verdichter 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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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist dieses Druckventil einen zweiten Körper, insbesondere in Form einer Kugel, sowie ein (zweites) Vorspannmittel, bevorzugt in Form einer (zweiten) Druckfeder, auf. Dabei ist das zweite Vorspannmittel so spannbar, dass der zweite Körper mittels des gespannten zweiten Vorspannmittels in einer Position haltbar ist, in der der zweite Körper die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer und dem Druckkanal verschließt.
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Bei dem Druckventil kann es sich gemäß einer Ausführungsform der Erfindung natürlich auch um ein Flatterventil handeln (sieh oben).
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Verdichter einen Wärmeüberträger auf, 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 dem Verdichter 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 der Verdichter ein Leckageanzeigemittel auf, das dazu ausgebildet ist, einen Austritt von Hydraulikfluid aus der Hydraulikfluidkammer anzuzeigen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Verdichter ein Druckbegrenzungsventil auf. Dabei weist das Druckbegrenzungsventil einen in einem Zylinder geführten Kolben auf, wobei der Zylinder in die Hydraulikfluidkammer des Verdichters mündet. Das Druckbegrenzungsventil weist weiterhin ein (drittes) Vorspannmittel zum Vorspannen des Kolbens gegen in der Hydraulikfluidkammer befindliches Hydraulikfluid auf. Dabei ist das dritte 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 dritte Vorspannmittel sich an dem Verschlussmittel abstützt. Das dritte Vorspannmittel ist also insbesondere zwischen dem Kolben und dem Verschlussmittel angeordnet, wobei insbesondere der Kolben und das Verschlussmittel in Richtung der Längs- bzw. Zylinderachse des Zylinders einander gegenüberliegen. Mit zunehmender Spannung bzw. Einfederung des dritten 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 des Verdichters 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. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der besagte Kolben und/oder der Verdrängerkolben eine kreisförmige Querschnittsfläche auf. Hierbei ist der Querschnitt des Kolbens bzw. Verdrängerkolbens senkrecht zur Bewegungsrichtung des jeweiligen Kolbens gemeint.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das dritte Vorspannmittel als eine dritte Druckfeder ausgestaltet, wobei die dritte 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 dritten Vorspannmittels 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 (drittes Vorspannmittel) ein gleicher Effekt erzielt werden. Für das dritte 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 des Verdichters 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. Die obere Druckgrenze kann bei einstufigem Betrieb (ein erfindungsgemäßer Verdichter) auch bei 350 bar liegen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Durchmesser des Querschnitts des Verdrängerkolbens des Verdichters 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 des Verdichters 10 Millimeter bis 80 Millimeter, insbesondere 12 Millimeter.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Verdichter ein Sicherheitsventil sowie insbesondere eine Ventilnocke auf. Dabei ist das Sicherheitsventil in eine geöffnete Stellung bringbar, in der eine Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer des Verdichters und dem Druckkanal des Verdichters offen ist (bei geöffnetem Druckventil) und verdichtetes Fluid über das Sicherheitsventil aus der Verdichtungskammer in den Druckkanal gelangt, sowie in eine geschlossene Stellung, in der jene Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer des Verdichters und dem Druckkanal des Verdichters durch das Sicherheitsventil unterbrochen ist, so dass kein Fluid über das Sicherheitsventil in den Druckkanal gelangt. Die Antriebswelle des Verdichters ist dabei bevorzugt derart mit der Ventilnocke gekoppelt, z. B. mechanisch verbunden, dass die Ventilnocke beim Rotieren der Antriebswelle das Sicherheitsventil periodisch, insbesondere während des Drucktakts in die geöffnete Stellung bewegt.
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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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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Sicherheitsventil durch ein (viertes) Vorspannmittel, bevorzugt in Form einer (vierten) Druckfeder, gegen die Ventilnocke vorgespannt, also in Richtung auf die geschlossene Stellung, so dass sich das Sicherheitsventil durch Federkraft in die geschlossene Stellung bewegt, sofern es nicht durch Einwirkung der Ventilnocke gegen die Federkraft in die geöffnete Stellung bewegt wird. 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 weist das Sicherheitsventil einen Ventilkolben auf, mit einem ersten Endabschnitt, der in einem Ventilzylinder gleitend angeordnet ist. Der Ventilzylinder erstreckt sich bevorzugt durch den Druckkanal hindurch und mündet in eine Ventilkammer, über die die Verdichtungskammer in Strömungsverbindung mit dem Druckkanal steht, wenn das Sicherheitsventil sich in seiner geöffneten Stellung (insbesondere während des Drucktakts) befindet.
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Der Ventilkolben ist weiterhin bevorzugt dazu konfiguriert 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 vierten Vorspannmittels, das bevorzugt als vierte Druckfeder ausgebildet ist, die insbesondere in der Ventilkammer 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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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 des Verdichters 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 des Verdichters von nachgeschalteten Elementen dar.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Einlass des Verdichters dazu ausgebildet ist, mit einer Druckgasflasche verbunden zu werden, wobei der Verdichter 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 (hierin auch Verdichtergehäuse genannt) 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 Verdichtergehäuse 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 des Verdichters bzw. des Druckgasflaschenventils zum Anschluss eines Behälters 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 Verdichtergehäuse bzw. das Gehäuse des Druckgasflaschenventils vorzugsweise einen maximalen Durchmesser von 150 mm sowie eine maximale Höhe von 150 mm auf.
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Beispielsweise kann mit dem vorliegenden, erfindungsgemäßen Verdichter 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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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 einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters mit Doppelmembran und Leckagering;
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2 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Verdichters, der in ein Druckgasflaschenventil integriert ist;
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3 eine Schnittansicht eines Druckbegrenzungsventils eines erfindungsgemäßen Verdichters;
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4 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Leckagering; und
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5 eine geschnittene Detailansicht des Rings gemäß 4.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Verdichter 1 zur Druckerhöhung eines Fluids. Der Verdichter 1 weist eine erste Membran 6 sowie eine der ersten Membran 6 gegenüberliegende zweite Membran 7 auf, wobei die beiden Membranen 6, 7 eine sogenannte Doppelmembran bilden. Hierbei grenzt die erste Membran 6 an eine Hydraulikfluidkammer 8 des Verdichters 1 an, während die benachbarte zweite Membran 7 an eine Verdichtungskammer 3 des Verdichters 1 angrenzt. Der Verdichter 1 ist dabei dazu ausgebildet, die erste Membran 6 mittels eines in der Hydraulikfluidkammer 8 geführten Hydraulikfluids zu beaufschlagen, wobei die erste Membran 6 die zweite Membran 7 mitnimmt und zusammen mit dieser ein in der Verdichtungskammer 3 befindliches Fluid bzw. Gas verdichtet.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen der ersten und der zweiten Membran 6, 7 ein ringförmiges Element 100 in Form einer ringförmigen Scheibe angeordnet ist, wobei das ringförmige Element 100 zumindest einen Kanal 102 aufweist, der zum Austragen von Hydraulikfluid ausgebildet ist, dass 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 erstreckt sich hierzu 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.
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Der mindestens eine Kanal 102 des Leckagerings 100 ist weiterhin (ggf. über eine geeignete Strömungsverbindung 103 im Gehäuse 24 des Verdichters) mit einer Leckageanzeigeeinrichtung 16 strömungsverbunden, die z. B. an einer der Hydraulikfluidkammer 8 abgewandten Seite der Doppelmembran 6,7 angeordnet ist, so dass Leckagefluid über den mindestens einen Kanal 102 in die Leckageanzeigeeinrichtung 16 strömen kann. Diese kann zum Anzeigen einer Leckage eine Aufnahme 16a zum Aufnehmen des Leckagefluids aufweisen, das dann z. B. visuell in der Aufnahme 16a erfassbar ist, z. B. durch ein Sichtfenster 16b der Leckageeinrichtung 16.
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Wie der 1 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 der Spanndurchmesser D'' einer umlaufenden Abdichtung 104 zur Hydraulikseite hin, d. h., kleiner als ein äußerster Durchmesser D'' eines die Hydraulikfluidkammer 8 berandenden Randbereichs, der mit der Membran 6 auf der Hydraulikseite in Berührung steht.
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Der mindestens eine Kanal 102 ist dabei gemäß 4 und 5 vorzugsweise als längs erstreckte Vertiefung oder Rinne in die erste oder die zweite Seite 100a, 100b des Leckagerings 100 eingebracht.
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Vorzugsweise (wie in den 4 und 5 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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Wie die 1 im Detail zeigt, weist der Verdichter 1, neben der Verdichtungskammer 3, einen Saugkanal 4 auf, der über einen Einlass 14 mit einem ersten Fluidbehälter (nicht gezeigt) in Strömungsverbindung bringbar ist, sowie einen 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.
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Der Saugkanal 4 und der Druckkanal 5 münden jeweils in die Verdichtungskammer 3. 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). Bevorzugt handelt es sich bei den beiden Ventilen 12, 13 jeweils um ein federvorgespanntes Kugelventil. Hierbei weisen die beiden Ventile 12, 13 jeweils eine Kugel 12a, 13a auf, die jeweils mittels eines Federmittels bzw. Vorspannmittels 23 (bei Kugel 12 in 1 nicht sichtbar) gegen die Position vorgespannt sind, bei der die jeweilige Strömungsverbindung unterbrochen ist.
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Zum Verdichten bzw. Einsaugen des Fluids weist der Verdichter 1 die mit dem 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.
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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, die die erste Membran 6, den Zwischenring 100 und die an der ersten Membran 6 anliegende zweite Membran 7 aufweist (siehe oben).
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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 3 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, 9 mit Hydraulikfluid beaufschlagt und in Richtung auf die Verdichtungskammer 3 ausgelenkt, was dem Drucktrakt entspricht. Im Saugtakt hingegen wird die Doppelmembran 6, 7 durch die Gaskraft resultierend aus dem rückexpandierenden Gas und dem durch das Saugventil 12 nachströmenden 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 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. Hierbei liegt die Doppelmembran 6, 7 mit einem umlaufenden Randbereich an einer Stirnseite der Kammer 8, die jene Öffnung berandet, abdichtend an.
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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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Gemäß 1 weist die Vorrichtung 1 weiterhin eine Antriebswelle 11 auf, die sich entlang einer Längs- bzw. Zylinderachse A 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. Zum Antreiben der Antriebswelle 11 mit einem geeigneten Motor steht diese mit einem Endabschnitt 11a aus dem Verdichtergehäuse 24 heraus. Der Motor kann dann an den Endabschnitt 11a angreifen bzw. mit diesem gekoppelt werden.
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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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Gemäß 1 kann der Verdrängerkolben 9 weiterhin an einer Kontaktfläche zum Exzenter 10 eine Aussparung 28 aufweisen, um jene Kontaktfläche zwischen dem Exzenter 10 und dem Verdrängerkolben 9 zur Reduzierung der Reibung zu vermindern.
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Der Verdichter 1 zur Druckerhöhung bzw. Verdichtung eines Fluids kann weiterhin gemäß 3 ein Sicherheitsventil 19 aufweisen, welches dazu konfiguriert ist, 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 zweier am Endabschnitt 32 umlaufender Dichtungen 32b abgedichtet ist, so dass das verdichtete Fluid nicht über den Ventilzylinder 32a entweichen kann. 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, 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 mit einer mit der Antriebswelle 11 verbundenen Ventilnocke 20 zusammen, die 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 (vierten) Vorspannmittels 29, bevorzugt in Form einer (vierten) 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 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 3 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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Weiterhin weist der erfindungsgemäße Verdichter gemäß 1 bevorzugt einen Wärmeüberträger 17 auf, der z. B. stromab des Druckkanals 5 bzw. am Druckkanal 5 sowie stromauf des Auslasses 15 angeordnet ist. Der Wärmeübertrager 17 dient zum Kühlen des über den Druckkanal 5 ausgegebenen, verdichteten Fluids.
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Schließlich kann der Verdichter 1 gemäß 1 und 3 weiterhin ein Druckbegrenzungsventil 18 mit einem Kolben 22, einem Zylinder 21, und einem (dritten) 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 dritte 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 des Verdichters 1 abdichtet.
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Der Kolben 22 wird bei Erreichen eines Maximaldrucks in der Hydraulikfluidkammer gegen die Federkraft des dritten 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 des Verdichters 1 gemäß 2 weiterhin einen Einlass 25 auf, der zum Anschließen einer Druckgasflasche konfiguriert ist, so dass der Verdichter 1 insbesondere von der Druckgasflasche 2 getragen wird, sowie einen am Verdichtergehäuse 24 vorgesehenen Auslass 34, der zum Anschließen eines zu befüllenden Behälters (z. B. Gastank) 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 durch den Einlass 25 und den Saugkanal 4 in den Verdichter 1 bzw. das Druckgasflaschenventil 1 einsaugbar, mittels der Vorrichtung 1 komprimierbar und durch den Druckkanal 5 und Auslass 34 bei erhöhtem Druck ausgebbar.
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Die Antriebswelle
11 kann wiederum über ihren Endabschnitt
11 mit dem Motor
100 gekoppelt werden (vgl.
1 und
2). Bezugszeichenliste
| Verdichter bzw. Druckgasflaschenventil | 1 |
| Druckgasflasche | 2 |
| Verdichtungskammer | 3 |
| Saugkanal | 4 |
| Druckkanal | 5 |
| erste Membran | 6 |
| zweite Membran | 7 |
| Hydraulikfluidkammer | 8 |
| Verdrängerkolben | 9 |
| Exzenter | 10 |
| Antriebswelle | 11 |
| Saugventil | 12 |
| Erster Körper bzw. Kugel | 12a |
| Druckventil | 13 |
| Zweiter Körper bzw. Kugel | 13a |
| Einlass | 14 |
| Auslass | 15 |
| Leckageanzeigeeinrichtung | 16 |
| Aufnahme | 16a |
| Sichtfenster | 16b |
| Wärmeüberträger | 17 |
| Druckbegrenzungsventil | 18 |
| Sicherheitsventil | 19 |
| Ventilnocke | 20 |
| Zylinder | 21 |
| Kolben | 22 |
| Zweites Vorspannmittel | 23 |
| Verdichtergehäuse | 24 |
| Einlass | 25 |
| Flaschenventil | 25a |
| Dichtmittel | 26 |
| Verschlussmittel | 26a |
| Aussparung | 28 |
| Viertes Vorspannmittel | 29 |
| Zweiter Endabschnitt | 30 |
| Ventilkoben | 31 |
| Zweiter Endabschnitt | 32 |
| Ventilzylinder | 32a |
| Dichtung | 32b |
| Konusförmiger Abschnitt | 32c |
| Ventilkammer | 33 |
| Auslass | 34 |
| Drittes Vorspannmittel | 35 |
| Ringförmiges Element (Leckagering) | 100 |
| Erste Seite | 100a |
| Zweite Seite | 100b |
| Zwischenraum | 101 |
| Kanal | 102 |
| Strömungsverbindung | 103 |
| Abdichtung | 104 |
| Axiale Richtung bzw. Längsachse der Antriebswelle | A |
| Außendurchmesser | D, D' |
| Spanndurchmesser | D'' |
| Innendurchmesser | I |
