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Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere Membranverdichter, zur Druckerhöhung eines Fluids.
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Der aktuelle Stand der Technik sieht Verdichtersysteme mit hydraulischen, elektrischen, pneumatischen sowie daraus kombinierten Antrieben vor. Hierbei sind jene Antriebe fix am jeweiligen Verdichter montiert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter der eingangs genannten Art bereitzustellen, der eine verbesserte Handhabung aufweist.
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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 einem Verdichtergehäuse, einer Antriebswelle des Verdichters zum Antreiben des Verdichters, wobei die Antriebswelle mit einem Endabschnitt in einer axialen Richtung aus dem Verdichtergehäuse heraussteht, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der Verdichter einen Motor zum Antreiben der Antriebswelle aufweist, wobei der Motor ein Motorgehäuse mit einem Verbindungsbereich aufweist, der zum lösbaren Festlegen des Motors am Verdichtergehäuse bezüglich der axialen Richtung mit einem Verbindungsbereich des Verdichtergehäuses vorzugsweise händisch in Eingriff bringbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Motor als ein Elektromotor ausgebildet ist, der einen Rotor sowie einen Stator aufweist. Alternativ hierzu können jedoch in entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung alle erdenklichen Arten von Motoren verwenden werden, insbesondere Pneumatikmotoren.
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Die erfindungsgemäße Lösung stellt einerseits sicher, dass ein hohes Drehmoment auf die Antriebswelle sicher übertragbar ist und erlaubt andererseits, dass die in der Regel wartungsfreie Antriebskomponente, hier der Motor, und die eher verschleißbehaftete Verdichterkomponente auf einfache Weise entkoppelbar sind. Hierdurch wird das Handling des Verdichters entscheidend verbessert. So kann insbesondere die wartungsfreie Antriebseinheit (Motor, insbesondere Elektromotor) mit Vorteil beim Endverbraucher verbleiben, während die Verdichtereinheit zu Servicezwecken separat transportierbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters ist vorgesehen, dass der Endabschnitt der Antriebswelle bei in Eingriff befindlichen Verbindungsbereichen in das Motorgehäuse hinein steht und dabei mit dem Motor gekoppelt ist, so dass ein vom Motor erzeugtes Drehmoment vom Motor (vorzugsweise Rotor) auf die Antriebswelle übertragbar ist.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Motor (insbesondere der Rotor des Motors) einen Adapter aufweist, der mit dem Endabschnitt der Antriebswelle durch eine der folgenden Verbindungen gekoppelt ist: eine formschlüssige Verbindung und/oder eine kraftschlüssige Verbindung, insbesondere reibschlüssige Verbindung. Hierzu kann die besagte Verbindung zwischen dem Adapter und dem Endabschnitt der Welle als Passfederverbindung als ausgeführt sein oder mittels einer Vielzahnwelle, Keilwelle oder Reibkupplung realisiert sein.
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Besonders bevorzugt sind das Verdichtergehäuse und das Motorgehäuse über eine schraubenlinienförmige Verbindung lösbar aneinander in der axialen Richtung festlegbar.
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Hierbei kann z. B. gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass der Verbindungsbereich des Motorgehäuses und der Verbindungsbereich des Verdichtergehäuses zum Festlegen das Motors am Verdichtergehäuse miteinander durch eine Schraubbewegung des einen Verbindungsbereiches gegenüber dem anderen Verbindungsbereich lösbar miteinander in Eingriff bringbar sind, so dass der Motor bezogen auf die axiale Richtung am Verdichtergehäuse lösbar festgelegt ist.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen, dass der Verbindungsbereich des Motorgehäuses ein Innengewinde einer Öffnung des Motorgehäuses aufweist und der Verbindungsbereich des Verdichtergehäuses ein darin einschraubbares Außengewinde. Hierbei ragt der Endabschnitt der Antriebswelle bei bestimmungsgemäß in Eingriff stehenden Verbindungsbereichen vorzugsweise durch jene Öffnung in das Motorgehäuse hinein.
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Weiterhin ist gemäß einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen, dass die beiden Verbindungsbereiche einen Bajonettverschluss bilden. Hierbei können z. B. Pins oder Vorsprünge des Bajonettverschlusses am Verbindungsbereich des Verdichtergehäuses vorgesehen sein, die mit einer Struktur an einer umlaufenden Wandung der Öffnung des Motorgehäuses, die den Verbindungsbereich des Motorgehäuses bildet, in Eingriff bringbar sind, um den Motor bezüglich der axialen Richtung am Verdichtergehäuse festzulegen.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters zum Arretieren der in Eingriff stehenden Verbindungsbereiche ein Scherbolzen vorgesehen, der dazu konfiguriert ist, an einer Flachstelle des Verbindungsbereiches des Verdichtergehäuses anzuliegen, so dass dieser nicht gegenüber dem Verbindungsbereich des Motorgehäuses drehbar ist. Bevorzugt ist der Scherbolzen dazu ausgebildet, in eine Ausnehmung des Motorgehäuses quer zur axialen Richtung eingeführt zu werden, so dass der Scherbolzen an der Flachstelle anliegt.
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Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen, dass der Scherbolzen an einem ersten Endabschnitt ein Außengewinde aufweist, mit dem der Scherbolzen in ein Innengewinde der Ausnehmung des Motorgehäuses einschraubbar ist, so dass der Scherbolzen an der Flachstelle anliegt bzw. entlang der Flachstelle verläuft, wobei der Scherbolzen an einem gegenüberliegenden zweiten Endabschnitt eine Aussparung aufweist, in die ein Werkzeug eingreifen kann, um den Scherbolzen in die Ausnehmung einzuschrauben (z. B. im Querschnitt sechseckförmige Öffnung).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass der Verdichter einen Saugkanal, eine Verdichtungskammer mit einem Volumen und einen Druckkanal aufweist. Dabei ist die Verdichtungskammer vorzugsweise mit dem Saugkanal in Strömungsverbindung bring bar, so dass über den Saugkanal Fluid in die Verdichtungskammer einleitbar oder 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. Dabei weist der Verdichter weiterhin eine Doppelmembran auf, die eine erste Membran und eine an der ersten Membran anliegende zweite Membran aufweist. Die Doppelmembran grenzt an die Verdichtungskammer an und der Verdichter ist bevorzugt dazu ausgebildet, die Doppelmembran mittels eines Hydraulikfluids so zu verformen bzw. zu bewegen, dass sich das Volumen der Verdichtungskammer des Verdichters in einem Saugtakt vergrößert, so dass Fluid über den Saugkanal in die Verdichtungskammer des Verdichters einleitbar bzw. einsaugbar ist, und 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.
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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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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 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 Der besagte Exzenter ist bevorzugt mit der besagten Antriebswelle gekoppelt. 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, die sich in der besagten axialen Richtung erstreckt, 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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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 weist entnommenes Wasserstoffgas 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 300bar 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 eines erfindungsgemäßen Verdichters mit einem Motor, der lösbar, insbesondere per Schnellverschluss, am Verdichtergehäuse festlegbar ist;
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2 eine Ansicht des Motors gemäß 1;
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3 eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Verdichterkomponente eines erfindungsgemäßen Verdichters;
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4 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Verdichters, der in ein Druckgasflaschenventil integriert ist; und
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5 eine Schnittansicht eines Druckbegrenzungsventils eines erfindungsgemäßen Verdichters.
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1 zeigt im Zusammenhang mit 2 einen erfindungsgemäßen Verdichter 1 zum Verdichten eines Fluids, der mittels eines Motors 100 antreibbar ist, der vorzugsweise mittels eines Schnellverschlusses mit einem Verdichtergehäuse 24 des Verdichters 1 verbindbar ist, so dass der Motor 100 jederzeit vom Verdichtergehäuse 24 bzw. vom Verdichter 1 abnehmbar ist (z. B. für einen Service des Verdichters 1). Erfindungsgemäß weist der besagte Schnellverschluss einen am Motorgehäuse 104 vorgesehenen Verbindungsbereich 105 sowie einen am Verdichtergehäuse 24 vorgesehenen Verbindungsbereich 106 auf, die zum lösbaren Festlegen des Motors 100 am Verdichtergehäuse 24 bezüglich der axialen Richtung A miteinander bevorzugt händisch in Eingriff bringbar sind.
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Bei dem Motor 100 handelt es sich bevorzugt um einen Elektromotor, der in bekannter Weise einen Stator 101 aufweist, der einen Rotor 102 umgibt, der mittels eines Adapters 103 oder einer sonstigen geeigneten Kupplung mit einem Endabschnitt 11a einer Antriebswelle 11 des Verdichters 1 koppelbar ist, so dass der Motor 100 ein Drehmoment auf die Antriebswelle 11 übertragen kann und der Verdichter 1 somit über die Antriebswelle 11 antreibbar ist. Der Endabschnitt 11a der Antriebswelle 11 steht aus dem Verdichtergehäuse 24 in einer axialen Richtung A heraus, die mit der Längsachse der Antriebswelle 11 zusammenfällt. Beim erfindungsgemäßen Festlegen des Motors 100 an dem Verdichtergehäuse 24 taucht der Endabschnitt 11a der Antriebswelle 11 in das Motorgehäuse 104 ein und wird mit dem Rotor 102 über den Adapter 103 oder die sonstige Kupplung bestimmungsgemäß zur Übertragung eines Drehmoments verbunden. Mögliche Ausgestaltungen des Verdichters 1 und der Antriebswelle 11 werden in den 3 bis 5 gezeigt und weiter unten beschrieben.
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Bevorzugt sind das Verdichtergehäuse 24 und das Motorgehäuse 100 lösbar über eine schraubenlinienförmige Verbindung aneinander in der axialen Richtung A festlegbar. Hierzu kann vorgesehen sein, dass der Verbindungsbereich 105 des Motorgehäuses 100 ein Innengewinde an einer umlaufenden Wandung einer Öffnung 107 des Motorgehäuses 104 aufweist und der Verbindungsbereich 106 des Verdichtergehäuses 24 ein darin einschraubbares Außengewinde, das an einer umlaufenden lateralen Wandung eines Vorsprungs 24a des Verdichtergehäuses 24 vorgesehen sein kann. Die Antriebswelle 11 steht dann mit ihrem Endabschnitt 11a durch eine zentrale Durchgangsöffnung 24b des Vorsprungs 24a sowie durch die dazu koaxiale Öffnung 107 des Motorgehäuses 104 in das Motorgehäuse 104 hinein und ist mit dem Rotor 102 wie oben beschrieben gekoppelt, wenn die beiden Verbindungsbereiche bzw. Gewinde 105, 106 miteinander in Eingriff stehen.
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Alternativ zu einem derartigen Schraubverschluss kann auch ein Bajonettverschluss oder eine sonstige zerstörungsfrei lösbare Verbindung vorgesehen sein.
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Damit sich die besagte Verbindung zwischen dem Motor 100 und dem Verdichtergehäuse 24 nicht unbeabsichtigt lösen kann, ist ein Scherbolzen 108 vorgesehen, der zum Arretieren der in Eingriff stehenden Verbindungsbereiche 105, 106 dient. Hierzu ist vorgesehen, dass der Scherbolzen 108 bei in Eingriff stehenden Verbindungsbereichen 105, 106 mit einem ersten Endabschnitt 108 voran in eine längliche Ausnehmung 110 des Motorgehäuses 104 orthogonal zur Längsachse A einführ bar ist und mit der Ausnehmung 110 verschraubbar ist, wozu der Scherbolzen 108 am ersten Endabschnitt 108a ein Außengewinde aufweist, das in ein Innengewinde der Ausnehmung einschraubbar ist. Zum Einschrauben weist der Scherbolzen 108 vorzugsweise am gegenüberliegenden Endabschnitt einen Kopf mit einer Aussparung 111 auf, in die ein geeignetes Werkzeug eingreifen kann (z. B. Sechskant). Die Ausnehmung 110 ist so bezüglich des Vorsprungs 24a ausgeführt, dass der bei bestimmungsgemäß in Eingriff stehenden Verbindungsbereichen 105, 106 bestimmungsgemäß eingeführte Bolzen 108 an einer Flachstelle 109 des Verbindungsbereiches 106 bzw. des Vorsprungs 24a anliegt, so dass der Motor 100 nicht mehr um die axiale Richtung bzw. Längsachse A bezüglich des Verdichtergehäuses 24 drehbar ist. Dies sichert die Verbindung zwischen dem Motor 100 und dem Verdichtergehäuse 24.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Verdichter 1 zur Druckerhöhung eines Fluids im Detail, wobei hier und im Folgenden der Motor 100 nicht dargestellt ist. Diesbezüglich wird auf die Erläuterungen zu den 1 und 2 verwiesen.
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Der Verdichter 1 weist eine 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 auf, 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 die Vorrichtung 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 3 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 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.
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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 eine Doppelmembran 6, 7, umfassend eine erste Membran 6 und eine an der ersten Membran 6 anliegende zweite Membran 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 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 der Verdrängerkolben 9 in der Bewegungsrichtung von der Doppelmembran 6, 7 weg bewegt, wobei ein Unterdruck entsteht, demzufolge die Doppelmembran 6, 7 in Richtung auf die Hydraulikfluidkammer 8 bewegt wird, so dass die Verdichtungskammer 3 ihr Volumen erhöht und Fluid über den Saugkanal 4 und das entsprechend geöffnete Saugventil 12 einsaugt.
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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 3 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 3 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 mit jener Stirnseite der Kammer 8 an einem äußeren Rand der Doppelmembran 6, 7 in Strömungsverbindung, so dass Hydraulikfluid, das an der Doppelmembran 6, 7 vorbeigelangt, mittels des Leckageanzeigemittels 16 detektierbar ist. Das Leckageanzeigemittel 16 kann hierzu eine Aufnahme zur Aufnahme des Leckagefluids aufweisen, das dann visuell in der Aufnahme erfassbar ist.
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Gemäß 3 weist die Vorrichtung 1 weiterhin die eingangs bereist erwähnte Antriebswelle 11 auf, die sich entlang der 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.
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Die Antriebswelle 11 weist insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt auf und steht mit einem Endabschnitt 11 wie bereits erläutert aus dem Verdichtergehäuse 24 heraus, so dass der Motor 100 an der Antriebswelle 11 angreifen kann.
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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 3 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 3 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 3 und 5 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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4 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 4 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 |
| Leckageanzeigemittel | 16 |
| Wärmeüberträger | 17 |
| Druckbegrenzungsventil | 18 |
| Sicherheitsventil | 19 |
| Ventilnocke | 20 |
| Zylinder | 21 |
| Kolben | 22 |
| Zweites Vorspannmittel | 23 |
| Verdichtergehäuse | 24 |
| Vorsprung | 24a |
| Zentrale Durchgangsöffnung | 24b |
| 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 |
| Motor, insbesondere Elektromotor | 100 |
| Rotor | 101 |
| Stator | 102 |
| Adapter | 103 |
| Motorgehäuse | 104 |
| Unterseite | 104a |
| Verbindungsbereiche | 105, 106 |
| Öffnung | 107 |
| Scherbolzen | 108 |
| Endabschnitte | 108a, 108b |
| Flachstelle | 109 |
| Ausnehmung | 110 |
| Aussparung | 111 |
| Axiale Richtung bzw. Längsachse der Antriebswelle | A |
