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Die Erfindung betrifft eine Kompressorvorrichtung und ein Kompressionsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 13.
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Derartige Kompressorvorrichtungen kommen beispielsweise für Anwendungen in der Prozessindustrie, im Maschinenbau oder in der Wasserstoffwirtschaft in Betracht, bei denen es erforderlich ist, ein Gas für Transport, Lagerung, Verarbeitung oder Benutzung zu komprimieren.
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Das zu komprimierende Gas kann beispielsweise ein nicht-korrosives, feststofffreies Gas wie Wasserstoff, Helium, Kohlenstoffdioxyd, Argon, Stickstoff oder Ethylen sein. Grundsätzlich können auch andere Gase oder Gasgemische komprimiert werden.
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Aus dem Stand der Technik sind hydraulisch angetriebene Kolbenkompressoren bekannt, die mittels eines Antriebszylinders antreibbar sind. Der Antrieb erfolgt durch eine Bewegung eines Antriebskolbens, der mit einem mechanischen Verbindungsmittel, wie zum Beispiel einer Kolbenstange, mit einem Kompressionskolben verbunden ist, mit dem periodisch eine Volumenänderung eines Kompressionsraums - und damit eine Gaskompression - bewirkt wird.
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Ein hydraulisch angetriebener Kolbenkompressor kann beispielsweise einen Kompressionskolben und einen mit dem Kompressionskolben gekoppelten Antriebskolben (2-Kolben-Prinzip) aufweisen. Ebenfalls ist eine Kopplung von zwei Kompressionskolben mit einem Antriebskolben (3-Kolben-Prinzip) möglich.
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Die Verwendung einer Vielzahl von Kompressionskolben kann dazu genutzt werden, ein größeres Volumen des Gases pro Zeiteinheit zu komprimieren oder die Kompression des Gases zu verstärken. Zur Verstärkung der Kompression kann das Gas zunächst in einem ersten Kompressionszylinder komprimiert werden und dann in einen zweiten und gegebenenfalls eine Vielzahl weiterer Kompressionszylinder strömen und weiter komprimiert werden. Grundsätzlich ist eine beliebige Anzahl derartiger Kompressionsstufen denkbar. In der Druckschrift
EP 0 064 177 ist beispielsweise eine 3-Kolben-Kompressorvorrichtung mit bis zu vier Kompressionsstufen beschrieben.
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Ein generelles Problem beim Betrieb eines hydraulisch angetriebenen Kolbenkompressors ist eine mögliche Kontamination des Gases, beispielsweise eines sensiblen Gases wie Wasserstoff, durch das Hydraulikfluid, beispielsweise Hydrauliköl, oder eine Kontamination durch unerwünschte Partikel. Die Kontamination kann z.B. durch Ausbreitung in den Kompressionsraum entlang der Kolbenstange erfolgen.
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Eine Anordnung einer 3-Kolben-Kompressorvorrichtung ist in der oben genannten Druckschrift
EP 0 064 177 beschrieben. Ein Abschnitt der Kolbenstange wechselt bei jeder Verstellung des Antriebskolbens zwischen dem Antriebszylinder mit dem Hydraulikfluid und dem Kompressionszylinder mit dem Gas, so dass eine Kontamination durch Verschleppen denkbar ist. Problematisch bei der horizontalen Anordnung ist außerdem, dass insbesondere Dichtungen an der Kolbenstange, die Kompressionszylinder und Antriebszylinder abdichten, oder Dichtungen an den Kompressionskolben einseitig verschleißen können, so dass das Risiko einer Kontamination des Gases auch bei dieser Anordnung besteht. Insbesondere bei einer teilweise verschlissenen Dichtung ist das Risiko einer Kontamination durch Schleppöl sehr hoch.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine verbesserte Kompressorvorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der insbesondere das Risiko der Kontamination des Gases verringert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kompressorvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Kompressionsverfahren nach Anspruch 13 gelöst.
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Demgemäß umfasst eine Kompressorvorrichtung zur Kompression eines Gases mindestens einen Kompressionsraum in mindestens einem Kompressionszylinder. In mindestens zwei Antriebszylindern ist jeweils mindestens ein Antriebskolben angeordnet. Die Antriebskolben trennen die mindestens zwei Antriebszylinder jeweils in zwei Antriebsräume. Der mindestens eine erste oder zweite Antriebsraum ist mit einem Hydraulikfluid zur Bewegung des jeweiligen Antriebskolbens periodisch mit Druck beaufschlagbar.
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Eine derartige Kompressorvorrichtung kann beispielsweise durch einen mit Hydrauliköl hydraulisch angetriebenen Kolbenkompressor gebildet sein, der für Kompression von Gasen wie Wasserstoff oder Helium in dem mindestens einen Kompressionszylinder verwendet wird. Der mindestens eine Kompressionsraum kann beispielweise durch einen, insbesondere zylinderförmigen, Hohlraum in dem mindestens einen Kompressionszylinder gebildet sein. Das Gas kann beispielsweise in den mindestens einen Kompressionszylinder durch einen ventilgesteuerten Gaseinlass einströmen und durch einen ventilgesteuerten Gasauslass ausströmen.
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In den mindestens zwei Antriebszylindern sind jeweils mindestens ein Antriebskolben angeordnet, die die mindestens zwei Antriebszylinder jeweils in zwei Antriebsräume trennen.
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Wenn das Hydraulikfluid in den mindestens einen ersten Antriebsraum einströmt, wird der erste Antriebskolben im Antriebszylinder bewegt und der mindestens eine erste Antriebsraum vergrößert sich. Da der erste Antriebskolben den ersten Antriebszylinder in zwei Teilräume teilt, verkleinert sich der verbleibende Antriebsraum entsprechend.
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Die jeweils verbleibenden Antriebsräume in den mindestens zwei Antriebszylindern stehen durch ein Fluid über ein Verbindungsstück kraftschlüssig miteinander in Verbindung. Eine derartige kraftschlüssige Verbindung kann auch als fluidische Kopplung verstanden werden. Die jeweils verbleibenden Antriebsräume können beispielsweise ein dritter und ein vierter Antriebsraum sein.
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Die periodische Beaufschlagung der Antriebsräume mit Hydraulikfluid führt dazu, dass sich die Antriebskolben auf Grund der fluidischen Kopplung miteinander gekoppelt periodisch bewegen. In jedem der Antriebszylinder wird ein Antriebsraum größer, wenn der andere kleiner wird. Die fluidische Kopplung bewirkt, dass der jeweils kleiner werdende Antriebsraum das Fluid an den anderen gekoppelten Antriebsraum abgibt, der sich entsprechend vergrößert.
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Die Bewegung der Antriebskolben ist somit synchronisiert. Beispielsweise kann die Bewegung im Sinne eines Differenzialzylinders erfolgen, bei dem der mindestens eine erste Antriebskolben eine entgegengesetzte Bewegung zu dem mindestens einen zweiten Antriebskolben ausführt. Der mindestens eine erste Antriebskolben kann ebenso im Sinne eines Gleichlauf-Hydraulikzylinders eine parallele Bewegung zu dem mindestens einen zweiten Antriebskolben ausführen. Im Vergleich ist der Betrieb eines Gleichlauf-Hydraulikzylinders aufwendiger als der Betrieb eines Differenzialzylinders.
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Zwischen dem mindestens einen ersten und zweiten Antriebsraum und den jeweils verbleibenden Antriebsräumen können unerwünschte Leckagen auftreten. Dies kommt insbesondere im Laufe des Betriebs von einer Hochdruck- zu einer Niederdruckseite vor. Die Leckagen können dazu führen, dass die Bewegung der Antriebskolben nicht synchronisiert ist. Um den Fluiddruck zwischen dem mindestens einen ersten und zweiten Antriebsraum und den jeweils verbleibenden Antriebsräumen zu synchronisieren, kann in einer Ausführung eine Synchronisationseinrichtung vorgesehen sein. Die Synchronisationseinrichtung kann eine Korrektur der Bewegung der Antriebskolben bewirken.
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Die Synchronisationseinrichtung kann beispielsweise durch eine Druckausgleichsleitung gebildet sein. Die Druckausgleichsleitung kann an einem Ende eines Antriebsraums angeordnet sein, an dem eine Umkehr der Bewegung eines zugeordneten Antriebskolbens erfolgt. Der Antriebskolben kann mittels der Druckausgleichsleitung überbrückbar sein. Dadurch kann mittels der Druckausgleichsleitung der Fluiddruck zwischen den beiden Antriebsräumen des betreffenden Antriebszylinders synchronisierbar sein. Zur Steuerung des Druckausgleichs, also beispielsweise zum Öffnen oder Schließen der Druckausgleichsleitung, kann die Druckausgleichsleitung weiterhin ein Rückschlagventil aufweisen. Dieses Prinzip kann als heilende oder automatische Hubkorrektur der Antriebskolben verstanden werden.
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Die Bewegung der Antriebskolben ist über mindestens ein mechanisches Verbindungsmittel auf mindestens einen, in dem mindestens einen Kompressionszylinder beweglich angeordneten Kompressionskolben übertragbar. Der mindestens eine Kompressionskolben begrenzt an einer Seite den mindestens einen Kompressionsraum in dem mindestens einen Kompressionszylinder, so dass Bewegungen der Antriebskolben in eine Volumenänderung des mindestens einen Kompressionsraums umsetzbar sind. Über mindestens zwei Antriebskolben kann mindestens ein Kompressionskolben angetrieben werden. Insbesondre können zwei Antriebskolben, jeweils einen Kompressionskolben antreiben.
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Der mindestens eine Kompressionszylinder ist von den mindestens zwei Antriebszylindern räumlich durch einen Abstand getrennt angeordnet. Beispielsweise kann sich der Abstand auf einen Abstand zwischen dem mindestens einen Kompressionszylinder und den mindestens zwei Antriebszylindern entlang einer Bewegungsrichtung des mindestens jeweils einen Antriebskolbens beziehen.
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Insbesondere kann der Abstand entlang der Schwerkraft erstreckt sein. Damit wird die Gefahr der Kontamination des zu komprimierenden Gases minimiert.
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In einem Ausführungsbeispiel weist der mindestens eine Kompressionszylinder mit den mindestens zwei Antriebszylindern keine gemeinsame Wandung auf. Eine Wandung kann zum Beispiel durch ein Kompressionszylindergehäuse des mindestens einen Kompressionszylinders oder ein Antriebszylindergehäuse der mindestens zwei Antriebszylinder gebildet sein. Eine gemeinsame Wandung könnte vorliegen, wenn das Kompressionszylindergehäuse an das Antriebszylindergehäuse grenzt. Insbesondere kann eine gemeinsame Wandung bedeuten, dass der Kompressionszylinder mit einem der mindestens zwei Antriebszylinder in Kontakt steht. Beispielsweise könnte ein metallischer Kontakt bestehen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Abstand zwischen den Kompressionszylindern und der Antriebszylinder mindestens so groß wie eine maximale Wegstrecke, die einer der jeweils mindestens einen Antriebskolben in dem zugeordneten Antriebszylinder zurücklegt.
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Der Abstand kann also als eine Distanz zwischen zwei Positionen eines der jeweils mindestens einen Antriebskolben verstanden werden. In einer ersten Position des Antriebskolbens kann das Volumen eines zugeordneten Antriebsraums minimal sein. Ebenso kann das Hydraulikfluid von Ausströmen aus dem Antriebsraum zu Einströmen in den Antriebsraum wechseln. In einer zweiten Position des Antriebskolbens kann das Volumen des Antriebsraums maximal sein. In der zweiten Position kann das Hydraulikfluid von Einströmen in den Antriebsraum zu Ausströmen aus dem Antriebsraum wechseln. Somit kann die Länge auch als maximaler Hub oder als eine maximale Wegstrecke, die der Antriebskolben im Antriebszylinder zurücklegt, verstanden werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen dem mindestens einen Kompressionszylinder und den mindestens zwei Antriebszylindern mindestens ein Verbindungsraum angeordnet, der mit einem Funktionsgas insbesondere zum Spülen des mindestens einen Verbindungsraums zum Detektieren von Lecks in dem mindestens einen Verbindungsraum und/oder zum Sperren des mindestens einen Verbindungsraums ausfüllbar ist.
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Beispielsweise kann sich ein erster Verbindungsraum von dem mindestens einen ersten Antriebszylinder zu dem mindestens einen Kompressionszylinder erstrecken. Der zweite Verbindungsraum kann sich von dem mindestens einen zweiten Antriebszylinder zu dem mindestens einen Kompressionszylinder erstrecken. Ebenso kann sich ein gemeinsamer Verbindungsraum von dem mindestens einen ersten Antriebszylinder und zweiten Antriebszylinder zum dem mindestens einen Kompressionszylinder oder mehreren Kompressionszylindern erstrecken.
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Das mindestens eine mechanische Verbindungsmittel kann sich von dem mindestens einen ersten Antriebszylinder und/oder dem mindestens einen zweiten Antriebszylinder zum dem mindestens einen Kompressionszylinder durch den mindestens einen Verbindungsraum erstrecken. Der mindestens eine Verbindungsraum kann beispielsweise von einem Verbindungsgehäuse umgeben sein. Das Verbindungsgehäuse kann den mindestens einen Verbindungsraum gasdicht begrenzen. Daher kann das mindestens eine mechanische Verbindungsmittel durch den mindestens einen Verbindungsraum beispielsweise vor äußerer Kontamination wie unerwünschten Gasen und Partikeln geschützt sein.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine Verbindungsraum mit einem Funktionsgas ausgefüllt. Beispielsweise kann der mindestens eine Verbindungsraum mit einem Spülgas ausgefüllt sein. Mittels des Spülgases können durch Spülen des Verbindungsraums unerwünschte Gase und Partikel aus dem mindestens einen Verbindungsraum entfernt werden. Ebenso ist es denkbar, dass der mindestens eine Verbindungsraum mit einem Leckgas ausgefüllt ist. Ein Leckgas kann zum Beispiel zum Detektieren von Lecks in dem mindestens einen Verbindungsraum dienen. Weiterhin kann der mindestens eine Verbindungsraum mit einem Sperrgas ausgefüllt sein. Das Gas kann zum Sperren des mindestens einen Verbindungsraums für gasförmige Medien dienen. Zum Beispiel kann ein Sperrgas Eindringen von unerwünschten Stoffen in den mindestens einen Verbindungsraum verhindern.
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Auch kann in mindestens einem der jeweils zwei Antriebsräume mindestens eine Messvorrichtung angeordnet sein, mit der beispielsweise eine Position des jeweils mindestens einen Antriebskolbens in dem zugeordneten Antriebszylinder bestimmbar ist. Die bestimmte Position kann dazu dienen, festzulegen zu welchem Zeitpunkt der mindestens eine erste und zweite Antriebsraum mit Fluiddruck beaufschlagt werden soll. Dadurch kann eine Bewegungsumkehr des jeweils mindestens einen Antriebskolbens steuerbar sein. Die mindestens eine Messvorrichtung kann beispielsweise durch einen Positionssensor gebildet sein. Die mindestens eine Messvorrichtung kann ebenso durch ein Wegmesssystem gebildet sein, das beispielsweise an dem mindestens einen Antriebszylinder angeordnet sein kann.
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Es ist denkbar, dass die mindestens eine Messvorrichtung in dem mindestens einen Verbindungsraum angeordnet ist, um eine Position des mindestens einen mechanischen Verbindungsmittels zu bestimmen. Ein weiteres Beispiel für eine Anordnung der mindestens einen Messvorrichtung ist an dem mindestens einen Kompressionszylinder, um eine Position des mindestens einen Kompressionskolbens zu bestimmen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die mindestens zwei Antriebszylinder unterhalb des mindestens einen Kompressionszylinders angeordnet. Unterhalb kann hierbei in Bezug auf die Erdschwere verstanden werden. Die mindestens zwei Antriebszylinder sind also entlang der Erdschwere niedriger angeordnet als der mindestens eine Kompressionszylinder. Dadurch kann sich beispielsweise aus einem Antriebsraum ausgetretenes Hydraulikfluid nicht, aufgrund der Erdschwere von den mindestens zwei Antriebszylindern, in Richtung des mindestens einen Kompressionszylinders ausbreiten.
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Ferner kann eine Dichtung, insbesondere eine Labyrinthdichtung, zwischen dem mindestens einen Kompressionszylinder und dem mindestens einen Kompressionskolben und/oder dem mindestens einen mechanischen Verbindungsmittel vorgesehen sein.
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Auch ist es möglich, dass eine Kühlvorrichtung an dem mindestens einen Kompressionszylinder angeordnet ist, die beim Betrieb des mindestens einen Kompressionszylinders entstehende Abwärme abführt. Die Kühlvorrichtung kann z.B. als Luft- oder Wasserkühlung ausgebildet sein.
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Auch ist es möglich, dass das komprimierte Gas zur Bildung einer mehrstufigen Kompression aus einem ersten Kompressionsraum als weiter zu komprimierendes Gas in einen zweiten Kompressionsraum zur Kompression leitbar ist.
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Zur Entkopplung der Bewegung der Antriebskolben kann in einer Ausführungsform eine Ventilvorrichtung vorgesehen sein. Beispielsweise kann mittels der Ventilvorrichtung eine hydraulische Betätigung der Antriebskolben entkoppelt werden. Die Ventilvorrichtung kann hierfür in Abhängigkeit von Daten, Informationen und/oder Prozessparametern, die zum Beispiel mittels der mindestens einen Messvorrichtung erzeugt werden können, kontrollierbar sein. In einem Ausführungsbeispiel ist die Ventilvorrichtung durch ein Steuerungssystem kontrollierbar. Das Steuerungssystem kann die Beaufschlagung des mindestens einen ersten und zweiten Antriebsraums mit dem Hydraulikfluid mittels der Ventilvorrichtung steuern. Zur Steuerung kann das Steuerungssystem auf Daten, insbesondere Positionsdaten oder Bewegungsdaten, von der mindestens einen Messvorrichtung zugreifen. In einer anderen Ausführungsform kann das Steuerungssystem zur Steuerung auf Prozessparameter wie zum Beispiel Fluiddruck oder Menge des geförderten Hydraulikfluids (Fördermenge) zugreifen.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Kompressionsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele exemplarisch darstellt. Dabei zeigt
- 1 eine erste Ausführungsform einer Kompressorvorrichtung (einfachwirkend, einstufig, wassergekühlt, stangenseitige hydraulische Kopplung der Antriebsräume);
- 2 eine zweite Ausführungsform einer Kompressorvorrichtung (einfachwirkend, einstufig, luftgekühlt, stangenseitige hydraulische Kopplung der Antriebsräume);
- 3 eine dritte Ausführungsform einer Kompressorvorrichtung (einfachwirkend, einstufig, wassergekühlt, kolbenseitige hydraulische Kopplung der Antriebsräume);
- 4 eine vierte Ausführungsform einer Kompressorvorrichtung (einfachwirkend, zweistufig, wassergekühlt, stangenseitige hydraulische Kopplung der Antriebsräume);
- 5 eine fünfte Ausführungsform einer Kompressorvorrichtung (doppeltwirkend, vierstufig, wassergekühlt, stangenseitige hydraulische Kopplung der Antriebsräume);
- 6a eine Ausführungsform einer Kompressionsvorrichtung mit einer Ventilsteuerung in einer ersten Position;
- 6b die Ausführungsform gemäß 6a in einer zweiten Position;
- 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Kompressionsvorrichtung mit einer vierstufigen Verdichtung.
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In 1 ist eine Ausführungsform einer Kompressorvorrichtung 100 dargestellt, die einen Kompressionsraum 1a, 1b in jeweils einem Kompressionszylinder 2a, 2b für ein Gas aufweist.
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Die Kompressionszylinder 2a, 2b sind hier vertikal, parallel zueinander angeordnet, wobei das aus den Kompressionsräumen 1a, 1b eintretende (zu komprimierende) Gas bzw. das austretende (komprimierte Gas) durch Doppelpfeile an der Stirnseite der Kompressionszylinder dargestellt ist. Die Kompressionsräume 1a, 1b weisen jeweils einen Gaseinlass 5a, 6a und ein Gasauslass 5b, 6b auf. Der Gaseinlass 5a, 6a und der Gasauslass 5b, 6b können durch Gasventile (nicht dargestellt) gebildet sein.
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Das Volumen der Kompressionsräume 1a, 1b wird beim Kompressionsvorgang periodisch über Kompressionskolben 3a, 3b verändert.
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Die Kompressionskolben 3a, 3b begrenzen jeweils die Kompressionsräume 1a, 1b nach unten hin beweglich in dem Kompressionszylinder 2a, 2b. Die Kompressionskolben 3a, 3b leisten im Betrieb in der dargestellten Ausführungsform nur bei einem Hub Arbeit, d.h. sie sind einfachwirkend.
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Die Kompressorvorrichtung 100 ist dabei so ausgerichtet, dass die Erdschwere nach unten zeigt. Ebenso ist es denkbar und möglich, die Kompressorvorrichtung 100 in Bezug auf die Erdschwere beliebig auszurichten. Beispielsweise kann die Kompressorvorrichtung 100 horizontal zur Erdschwere ausgerichtet sein. Die Antriebszylinder 12a, 12b sind unterhalb des mindestens einen Kompressionszylinders 2a, 2b, jeweils koaxial zueinander angeordnet. In anderen Ausführungsbeispielen (nicht dargestellt) sind die Antriebszylinder 12a, 12b oberhalb des mindestens einen Kompressionszylinders 12a, 12b angeordnet.
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In der dargestellten Ausführungsform dienen Antriebskolben 13a, 13b, die in den zwei Antriebszylindern 12a, 12b angeordnet sind, dazu, die Kompressionskolben 3a, 3b anzutreiben.
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Die beiden Antriebskolben 13a, 13b unterteilen die Innenräume der Antriebszylinder 12a, 12b in jeweils zwei Antriebsräume 11a, 11b, 11c, 11d. Je nach Stellung der Antriebskolben 13a, 13b innerhalb der Antriebszylinder 12a, 12b kann das Volumen der Antriebsräume 11a, 11b, 11c, 11d variieren. Die Summe der Volumina der Antriebsräume 11a, 11b, 11c, 11d in jeweils einem Antriebszylinder 12a, 12b ist dabei konstant.
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Der erste und zweite Antriebsraum 11a, 11b werden periodisch mit einem Hydraulikfluid beaufschlagt. Das ein- und austretende Hydraulikfluid ist durch Doppelpfeile dargestellt (Hydraulikfluidzugang 18a, 18b). Wenn z.B. Hydraulikfluid in den ersten Antriebsraum 11a gedrückt wird, bewegt sich der Antriebskolben 13a nach oben. Die Bewegung erfolgt entlang der Bewegungsachsen Ba, Bb.
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Oberhalb der Antriebskolben 13a, 13b ist jeweils ein dritter und vierter Antriebsraum 11c, 11d angeordnet, die über ein Verbindungsstück (15) fluidisch miteinander in Verbindung stehen.
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Wenn sich z.B. der erste Antriebskolben 13a nach oben bewegt, wird das im dritten Antriebsraum 11c befindliche Fluid in den vierten Antriebsraum 11 gedrückt. Durch die fluidische Kopplung (hydraulische kraftschlüssige Kopplung) findet ein Fluidaustausch zwischen den Antriebsräumen 11c, 11d statt.
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Die Antriebskolben 13a, 13b sind über mindestens ein mechanisches Verbindungsmittel 20a, 20b, hier eine gerade Stange, mit den Kompressionskolben 3a, 3b gekoppelt. In dieser Ausführungsform liegen somit die Antriebszylinder 12a, 12b und die Kompressionszylinder 2a, 2b jeweils fluchtend übereinander.
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Durch die mechanischen Verbindungsmittel 20a, 20b ist eine Bewegung der Antriebskolben 13a, 13b auf die in den Kompressionszylindern 2a, 2b beweglich angeordneten Kompressionskolben 3a, 3b übertragbar. Damit sind Bewegungen der Antriebskolben 13a, 13b in eine Volumenänderung der Kompressionsräume 1a, 1b umsetzbar.
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Dabei sind die Kompressionszylinder 2a, 2b von den beiden Antriebszylindern 12a, 12b räumlich jeweils durch einen Abstand Da, Db voneinander getrennt angeordnet. Durch das Einrichten dieser Abstände Da, Db wird das Risiko minimiert, dass z.B. Verschmutzungen von den Antriebszylindern 12a, 12b zu den Kompressionszylindern 13a, 13b getragen werden.
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Durch die Abstände Da, Db wird auch bewirkt, dass die Kompressionszylinder 13a, 13b mit den Antriebszylindern 12a, 12b keine gemeinsame Wandung aufweisen; die Kompressionszylinder 2a, 2b und die Antriebszylinder 12a, 12b sind voneinander getrennt, insbesondere räumlich, fluidisch und auch thermisch.
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In einer Ausführungsform kann der Abstand Da, Db mindestens so lang gewählt sein, wie die maximale Wegstrecke, die einer der Antriebskolben 13a, 13b in dem zugeordneten Antriebszylinder 12a, 12b zurücklegt.
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In der dargestellten Ausführungsform gemäß 1 ist zwischen den Kompressionszylindern 2a, 2b und den Antriebszylindern 12a, 12b mindestens ein Verbindungsraum 30a, 30b angeordnet, der mit einem Funktionsgas zum Spülen des mindestens einen Verbindungsraums 30a, 30b, zum Detektieren von Lecks in dem mindestens einen Verbindungsraum 30a, 30 und/oder zum Sperren des mindestens einen Verbindungsraums 30a, 30b ausfüllbar ist. Der mindestens eine Verbindungsraum 30a, 30b ist von einem Verbindungsgehäuse 40a, 40b umgeben.
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Des Weiteren weist die Ausführungsform gemäß 1 eine Kühlvorrichtung 8a, 8b auf, mit der die Kompressionszylinder 2a, 2b kühlbar sind, um die beim Betrieb entstehende Abwärme abzuführen. In der dargestellten Ausführungsform ist die Kühlvorrichtung als Wasserkühlung ausgebildet; das ein- und ausströmende Wasser wird durch Pfeile dargestellt. Eine Wasserkühlung ist insbesondere bei höheren Kompressorleistungen sinnvoll.
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In der 1 ist schematisch eine Messvorrichtung 17 dargestellt, mit der die Position eines der Antriebskolben 13a, 13b zu ermitteln ist. Die Messvorrichtung 17 ist durch einen Positionssensor gebildet.
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Mit einer solchen Kompressorvorrichtung 100 ist z.B. ein Hub von 500 mm realisierbar. Die Gesamthöhe der Vorrichtung würde dann ca. 1.800 mm betragen. Grundsätzlich sind auch andere Abmessungen realisierbar.
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Somit stellt die Ausführungsform gemäß 1 eine einfachwirkende, einstufige, wassergekühlte, Kompressorvorrichtung 100 mit einer stangenseitigen hydraulischen Kopplung dar. Der Begriff stangenseitig bezieht sich hier auf die relative Anordnung zum mechanischen Verbindungsmittel 20a, 20b (Stange).
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Alternative Bauformen für Kompressionsvorrichtungen 100 werden in den folgenden Figuren dargestellt, wobei zur Vermeidung von Längen auf die Beschreibung der Ausführungsform der 1 Bezug genommen wird.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt, die ebenfalls einfachwirkend, einstufig und stangenseitig hydraulisch gekoppelt ist, die aber eine Luftkühlung aufweist.
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Um die Kompressionsräume 1a, 1b herum sind bei dieser Ausführungsform Rippenvorrichtungen als Kühlvorrichtung angeordnet. Ansonsten entspricht die Funktion der ersten Ausführungsform.
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In 3 ist eine dritte Ausführungsform dargestellt, die eine weitere Variante der Ausführungsform der 1 darstellt.
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Wie die erste Ausführungsform, weist diese eine Wasserkühlung auf. Allerdings erfolgt die hydraulische Kopplung über das Verbindungsstück 15 kolbenseitig und nicht stangenseitig. Dementsprechend liegen die Hydraulikfluidzuleitungen 18a, 18b oberhalb der Antriebskolben 13a, 13b, d.h. stangenseitig.
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Kompressorvorrichtungen der hier dargestellten Art können auch als zweistufige Kompressoren ausgebildet sein.
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So zeigt 4 eine einfach wirkende, zweistufige, wassergekühlte Variante mit einer stangenseitigen hydraulischen Kopplung. Ansonsten entspricht die vierte Ausführungsform der ersten Ausführungsform. Als zusätzliches Merkmal ist hier eine Verbindungsleitung 60 zwischen dem ersten Kompressionsraum 1a und dem zweiten Kompressionsraum 1b dargestellt, mit der optional eine zweistufige Verdichtung realisierbar ist.
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In 5 ist eine weitere Variante dargestellt. Wie bei der ersten Ausführungsform liegt eine wassergekühlte Kompressionsvorrichtung 100 vor, bei der eine stangenseitige hydraulische Kopplung der Antriebsräume 11c, 11d vorliegt.
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Der Kompressionsraum 1a, 1b ist in dieser Ausführungsform aber so ausgebildet, dass die Kompressorvorrichtung 100 doppeltwirkend arbeitet, d.h. jeder Hub des Kompressionskolbens 3a, 3b leistet Arbeit. Dementsprechend weisen die Kompressionsräume 1a, 1b, 1c, 1d jeweils einen Einlass und einen Auslass auf.
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Ein weiterer Vorteil der Kompressorvorrichtung 100 ergibt sich durch die hydraulisch gekoppelten Antriebzylinder 12a, 12b. Durch den Umstand, dass die beiden Kompressionskolben 3a, 3b durch jeweils einen eigenen Antriebszylinder 12a, 12b angetrieben werden, kann durch den Aufbau einer geeigneten hydraulischen Schaltung der Hub eines ersten Zylinders während des Betriebes unabhängig vom zweiten Antriebszylinder variiert werden. Eine Ausführungsform dazu ist in den 6a, 6b dargestellt.
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Diese Entkopplung ist vor allem bei der Verdichtung von Gasen auf einen konstanten Ausgangsdruck bei einem sinkenden Eingangsdruck (Bsp. Flaschenentleerung) von großem Vorteil. Durch den abfallenden Eingangsdruck sinkt bei einer zweistufigen Anlage ebenfalls der Zwischendruck, da die beiden Stufen nur auf einen bestimmten Anwendungsfall (kleinen Bereich) ausgelegt werden. Eine Abweichung von diesem Auslegungspunkt wird in geringem Maße geduldet, beispielsweise durch einen angegebenen Druckbereich im Gaseingang. Eine zu große Abweichung führt zu unausgeglichenen und ungünstigen Verdichtungsverhältnissen in einer der beiden Stufen, abhängig von einer Über- oder Unterschreitung des zulässigen Bereichs. Daraus resultiert eine überhöhte, nicht vorgesehene Wärmeentwicklung, die Schäden an Komponenten hervorrufen kann. Analog gilt dieses Prinzip auch für eine Behälterbefüllung, bei der der Ausgangsdruck variiert und insbesondere steigt.
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Durch die Möglichkeit einen variablen Hub in einem der beiden Antriebszylinder 12a, 12b zu fahren, können die beiden Stufen während des Betriebes auf sich ändernde Betriebsbedingungen angepasst werden. Dadurch wird eine unnötige Wärmeentwicklung durch stark unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse in den beiden Stufen vermieden und der Eingangsdruck kann in einem größeren Bereich (vor allem in kleinen Druckbereichen) optimal betrieben werden.
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Erreicht wird diese Hubverstellung durch eine geänderte Hydraulikführung bei den Antriebszylindern 12a, 12b.
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Während des nach unten Fahrens des ersten Antriebskolbens 13a wird bei Erreichen des gewünschten Hubs der Hydraulikausgang 50 des ersten Antriebszylinders 12a versperrt, während zeitgleich das Hydraulikfluid (Öl) des sich nach oben bewegenden zweiten Antriebskolbens 13b über einen zusätzlichen Hydraulikfluidausgang 51 abgeleitet wird.
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Auf diese Weise verharrt einer der Antriebskolben während des Hubs, der damit gekoppelte Antriebskolben kann durch die Umleitung des Öls den Hub vollständig zu Ende fahren. Somit lässt sich durch eine geeignete Ventilvorrichtung 52 der Hub der beiden Antriebskolben 13a, 13b voneinander entkoppeln.
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An einem Ende des dritten und vierten Antriebsraums 11c, 11d, an dem eine Umkehr der Bewegung des jeweiligen Antriebskolbens 13a, 13b erfolgt, ist eine Druckausgleichsleitung 16a, 16b angeordnet. Die Druckausgleichsleitung 16a, 16b überbrückt in einer Position des Antriebskolbens 13a, 13b, in dem die Umkehr der Bewegung erfolgt, den Antriebskolben 13a, 13b, so dass die beiden Antriebsräume 11a, 11c, 11b, 11d eines Antriebszylinders 12a, 12b über die Druckausgleichsleitung 16a, 16b verbindbar sind. Zur Steuerung der Verbindung zwischen den Antriebsräumen 11a, 11b, 11c, 11d weist die Druckausgleichsleitung 16a, 16b ein Rückschlagventil 161a, 161b auf.
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In 7 ist eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 5 dargestellt, so dass auch die obige Beschreibung Bezug genommen werden kann.
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Hier wird eine vierstufige Verdichtung realisiert, bei der der erste Kompressionsraum 1a die erste Stufe bildet. Über den Gasauslass 5b und den Gaseinlass 6a wird das komprimierte Gas einer zweiten Stufe in dem Kompressionsraum 1b zugeführt. Über den Gasauslass 6b dieses Kompressionsraums 1b wird das Gas dann einer dritten Stufe zugeführt, die in einem dritten Kompressionsraum 1c realisiert ist. Anschließende wird das Gas wieder dem ersten Kompressionszylinder zugeführt, in dem im Kompressionsraum 1d eine vierte Kompressionsstufe realisiert wird. In der 7 ist der Gasfluss zwischen den beiden Kompressionszylindern durch Pfeile dargestellt. Die Größe der Kompressionsräume 1a, 1b, 1c, 1d ist dabei ggf. an die Kompressionsaufgabe anzupassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1a, 1b, 1c, 1d
- Kompressionsraum
- 2a, 2b
- Kompressionszylinder
- 3a, 3b
- Kompressionskolben
- 5a, 6a
- Gaseinlass
- 5b, 6b
- Gasauslass
- 8a, 8b
- Kühlvorrichtung
- 11a, 11b, 11c, 11d
- Antriebsraum
- 12a, 12b
- Antriebszylinder
- 13a, 13b
- Antriebskolben
- 15
- Verbindungsstück
- 16a, 16b
- Druckausgleichsleitung
- 161a, 161b
- Rückschlagventil
- 17
- Messvorrichtung
- 18a, 18b
- Hydraulikfluidzuleitungen
- 20a, 20b
- mechanisches Verbindungsmittel
- 30a, 30b
- Verbindungsraum
- 40a, 40b
- Verbindungsgehäuse
- 50
- Hydraulikausgang
- 51
- zusätzlicher Hydraulikfluidausgang
- 52
- Ventilvorrichtung
- 100
- Kompressorvorrichtung
- Ba, Bb
- Bewegungsachse
- Da, Db
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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