EP1907701B1 - Verdichter, insbesondere kolbenverdichter - Google Patents

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EP1907701B1
EP1907701B1 EP06762401.5A EP06762401A EP1907701B1 EP 1907701 B1 EP1907701 B1 EP 1907701B1 EP 06762401 A EP06762401 A EP 06762401A EP 1907701 B1 EP1907701 B1 EP 1907701B1
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EP
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pressure
volume
compressor
compressor according
piston
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EP06762401.5A
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Robert Adler
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B25/00—Multi-stage pumps
    • F04B25/005—Multi-stage pumps with two cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B25/00—Multi-stage pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B37/00—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
    • F04B37/10—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for special use
    • F04B37/18—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for special use for specific elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/16—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00 by adjusting the capacity of dead spaces of working chambers

Definitions

  • the invention relates to a compressor, in particular reciprocating compressor, for compressing a gaseous medium with a low pressure stage for compressing the medium from an inlet pressure to an intermediate pressure, and a high pressure stage for compressing the medium from the intermediate pressure to a high pressure.
  • the step pressure ratio is determined by the cylinder dimensions.
  • a medium may be pressurized from an input pressure of 1 bar in the low pressure stage having a stage pressure ratio of 17 to an intermediate pressure of 17 bar the high pressure stage, which has a stage pressure ratio of 17.6, are compressed to a high pressure of 300 bar.
  • Such reciprocating compressors are designed for a certain inlet pressure, wherein the inlet pressure of the medium can be varied within narrow limits. If a generic reciprocating compressor, which is designed for an inlet pressure of 1 bar, operated instead of an inlet pressure of 1 bar at an inlet pressure of 5 bar, would be after the Niederducklace at the stage pressure ratio of 17, an intermediate pressure of 85 bar set, which is used to overheat the Niederducklace leads.
  • the present invention has for its object to provide a compressor of the type mentioned available, which is suitable for different input pressures with low construction costs.
  • the high pressure stage is preceded by a compensating volume with adjustable dead volume.
  • the high-pressure stage upstream and thus connected to the high-pressure level compensation volume, it is easily possible to provide an adjustable dead volume at the high-pressure stage.
  • gaseous medium is partially supplied to the compensation volume.
  • the gaseous medium expands adiabatically and in this case cools back below the intake temperature of the low-pressure stage.
  • the suction volume of the high-pressure stage can thus be changed in a simple manner and, at the same time, additional cooling of the compressor can be achieved. This makes it possible in a simple manner to operate the compressor at different input pressures, further overheating of the compressor is avoided.
  • the dead volume formed by the compensating volume is adjustable as a function of the inlet pressure.
  • a dead space control of the high-pressure stage in dependence on the inlet pressure can be achieved with little effort with the compensation volume.
  • the compensation volume is set to minimum dead volume at maximum inlet pressure and is adjustable with decreasing inlet pressure in the direction of a maximum dead volume.
  • the additional cooling effect increases due to the equalization volume.
  • the step pressure ratio increases with the high pressure stage, while increasing the thermal load on the compressor.
  • the compensating volume is designed as a compensating cylinder, which has a displaceable in a housing cylinder.
  • this design of the compensating volume as adjusting an adjustable dead volume can be easily produced.
  • the cylinder is provided according to a preferred embodiment of the invention as a stepped piston with a first control surface, which is arranged in the compensating volume and is acted upon by the intermediate pressure and having a second control surface, which is acted upon by the inlet pressure.
  • a cylinder designed as a stepped piston can be made possible by decreasing the inlet pressure by appropriate choice of the sizes of the first and second control surface in a simple manner an admission of the cylinder in the direction of the minimum dead volume at maximum inlet pressure and in the direction of the maximum dead volume.
  • the compensation volume is provided with a cooling device, whereby the medium located in the compensation volume can be cooled in a simple manner and thus the cooling effect can be further increased by the compensation volume.
  • the cooling device is formed by arranged on the housing cooling fins, whereby a cooling device of the compensation volume can be produced with low construction costs.
  • the compressor has according to an advantageous embodiment of the invention a longitudinally displaceable in a housing piston, which is hydraulically driven.
  • the low-pressure stage expediently comprises a first pressure chamber and a second pressure chamber, as a result of which the piston has two pressure chambers of the low-pressure stage controls.
  • pulsations in the pressure-carrying lines can be reduced with a small space requirement by two pressure chambers.
  • the high-pressure stage comprises a first pressure chamber and a second pressure chamber.
  • two pressure chambers of the high-pressure stage are still actuated by the piston, it being possible to achieve low pulsations with a small space requirement of the compressor.
  • a cooling of the compressor in the region of the low-pressure stage and the high-pressure stage can be achieved in a simple manner, if external cooling is provided on the housing.
  • the piston is advantageously provided with at least one longitudinal bore, which is in communication with a drive pressure chamber.
  • FIG. 1 is a longitudinal section of an inventive designed as a linear piston compressor 1 compressor shown.
  • the piston compressor 1 has a longitudinally displaceable in a housing bore 2 of a housing 3, stepped piston 4, wherein between the piston 4 and the housing bore 2, a low-pressure stage 5 and a high pressure stage 6 is formed.
  • the high-pressure stage 6 is formed in the central region of the piston compressor 1 and has two pressure chambers 6a, 6b which are formed between a sealing element 7 arranged at the middle region of the housing 3 and the piston 4.
  • Piston sections 8a, 8b are arranged on the stepped piston 4 in the region of a diameter transition, the pressure chambers 6a, 6b of the high-pressure stage 6 being formed in the area of the enlarged diameter of the piston 4.
  • the piston 4 after in the FIG. 1 is acted upon right, the left pressure chamber 6a minimum displacement volume and the right pressure chamber 6b maximum displacement volume.
  • the low-pressure stage 5 is formed on both sides of the high-pressure stage 6 in the region of the reduced diameter of the piston 4 and has two pressure chambers 5a, 5b, which are arranged between the housing bore 3 and arranged on the piston 4 piston portions 8a, 8b in the region of the piston reduced diameter are formed.
  • the piston compressor 1 is hydraulically driven, wherein on the piston 4 at the outer regions adjacent to the low-pressure stage 5 hydraulically acted upon drive pressure chambers 9a, 9b are formed.
  • the drive pressure chamber 9a is acted upon by hydraulic pressure medium.
  • the piston rod 4 Upon actuation of the drive pressure chamber 9b, the piston rod 4 according to in the FIG. 1 applied to the left.
  • the pressure chambers 5a, 5b of the low-pressure stage 5 are each assigned a low-pressure suction valve 10a, 10b and a low-pressure pressure valve 11a, 11b.
  • the pressure chambers 6a, 6b of the high-pressure stage 6 are respectively associated with a high-pressure suction valve and a high-pressure pressure valves, wherein in the FIG. 1 only the pressure chamber 6a associated high pressure suction valve 12a and high pressure pressure valve 13a is shown.
  • an external cooling 15a, 15b is provided in the region of the low-pressure stage 5 and the high-pressure stage 6.
  • the piston 4 designed as blind bores longitudinal bores 16a, 16b, which communicate with the drive pressure chambers 9a, 9b, whereby by the piston compressor 1 driving pressure means internal cooling of the reciprocating compressor 1 is achieved.
  • the reciprocating compressor 1 is provided with a path measuring system 17.
  • each pressure chamber 6a, 6b of the high-pressure stage is preceded by a compensation volume 20a, 20b with adjustable dead volume.
  • FIGS. 1 and 2 is the pressure chamber 6a upstream compensating volume 20a shown in a longitudinal section.
  • the pressure chamber 6b associated equalization volume 20b has an identical structure.
  • the compensating volume 20a is designed as a compensating cylinder 21 which has a cylinder 23 longitudinally displaceable in a housing bore 28 of a housing 22, wherein the adjustable dead volume formed by the compensating volume 20a is formed between the housing bore 28 of the housing 22 and the cylinder 23, by means of a conduit 26 is connected to the input of the pressure chamber 6a of the high pressure stage 6, in particular to the pressure chamber 5a of the low pressure stage 5 with the pressure chamber 6a of the high pressure stage 6 connecting connecting line downstream of the high pressure suction valve 12a of the pressure chamber 6a of the high pressure stage 6.
  • the cylinder 23 is a stepped piston formed and has at a arranged in the compensating volume 20a end face of a first control surface 24 which generated by that of the low pressure side, in the compensating volume 20a pending intermediate pressure is applied.
  • a second control surface 25 is formed, is acted upon by the inlet pressure of the low pressure stage.
  • the second control surface 25 is larger than the first control surface 24.
  • a cooling device 27 is arranged in the region of the compensation volume 20a, which is formed for example by arranged on the outer circumference of the housing 22 cooling fins.
  • the compensating volume 20 a in after in the FIG. 2 top deflected cylinder 23 maximum dead volume.
  • the cylinder 23 With increasing at the second control surface 25 of the designed as a stepped piston cylinder 23 input pressure of the low pressure stage 5, the cylinder 23 is in the FIG. 2 acted upon below, whereby the compensating volume 20a is applied in the direction of a minimum dead volume at maximum inlet pressure of the reciprocating compressor 1.
  • gaseous medium is fed to the pressure chamber 6a of the high-pressure stage 6 after the intake stroke in the compression stroke from the pressure chamber 5a of the low-pressure stage 5 via the pressure valve 11a and the suction valve 13a, which is in the intake stroke.
  • the pressurized medium is also supplied to the compensating volume 20a and thus the adjustable dead volume by the low-pressure stage 5 to the intermediate pressure and through the cooling device 27 cooled.
  • the inlet pressure compensation volume 20a By controlled as a function of the inlet pressure compensation volume 20a, it is possible to change the intake volume of the high pressure stage 6 and thus to operate the compressor at different input pressures, with the additional cooling of the medium by means of the compensation volume 20a and in particular the cooling device 27, the temperature of Compressor, in particular after the low pressure stage 5 with decreasing input pressure, wherein the step pressure ratio and thus the thermal load of the high pressure stage 6 increases, can be lowered.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere Kolbenverdichter, zum Verdichten eines gasförmigen Mediums mit einer Niederdruckstufe zum Verdichten des Mediums von einem Eingangsdruck auf einen Zwischendruck, und einer Hochdruckstufe zum Verdichten des Mediums von dem Zwischendruck auf einen Hochdruck.
  • Bei als Kolbenverdichter ausgebildeten Verdichtern für gasförmige Medien wird das Stufendruckverhältnis von den Zylinderabmessungen bestimmt. Bei einem Kolbenverdichter mit von einer Niederdruckstufe und einer Hochdruckstufe gebildeten zwei Verdichterstufen, und einem Stufendruckverhältnis im Bereich von 17 kann beispielsweise ein Medium von einem Eingangsdruck von 1 bar in der Niederdruckstufe, die ein Stufendruckverhältnis von 17 aufweist, auf einen Zwischendruck von 17 bar und in der Hochdruckstufe, die ein Stufendruckverhältnis von 17,6 aufweist, auf einen Hochdruck von 300 bar verdichtet werden.
  • Derartige Kolbenverdichter sind auf einen bestimmten Eingangsdruck ausgelegt, wobei der Eingangsdruck des Mediums nur in engen Grenzen variiert werden kann. Wird ein gattungsgemäßer Kolbenverdichter, der auf einen Eingangsdruck von 1 bar ausgelegt ist, anstelle eines Eingangsdruckes von 1 bar bei einem Eingangsdruck von 5 bar betrieben, würde sich nach der Niederduckstufe bei dem Stufendruckverhältnis von 17 ein Zwischendruck von 85 bar einstellen, der zur Überhitzung der Niederduckstufe führt.
  • Aus der DE 199 33 989 A1 ist ein zweistufiger Kolbenverdichter bekannt, der für unterschiedliche Eingangsdrücke geeignet ist. Hierzu werden für die Niederdruckstufe und die Hochdruckstufe des Kolbenverdichters getrennte Antriebe vorgesehen. Ein derartiger zweistufiger Kolbenverdichter mit einem Antrieb für die Niederdruckstufe und einem separaten Antrieb für die Hochdruckstufe weist jedoch einen hohen Bauaufwand auf.
  • Aus der US 4 976 591 ist ein zweistufiger Kolbenverdichter bekannt, der einen verstellbaren Totvolumen zur Durchflussregelung aufweist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, der mit geringem Bauaufwand für unterschiedliche Eingangsdrücke geeignet ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Hochdruckstufe ein Ausgleichsvolumen mit verstellbarem Totvolumen vorgeschaltet ist. Mit einem derartigen, der Hochdruckstufe vorgeschaltenen und somit an die Hochdruckstufe angeschlossenen Ausgleichsvolumen ist es auf einfache Weise möglich, an der Hochdruckstufe ein verstellbares Totvolumen vorzusehen. Während des Verdichtungstaktes der Niederdruckstufe wird hierbei gasförmiges Medium teilweise dem Ausgleichsvolumen zugeführt. Beim anschließenden Zuführen des Mediums von dem Ausgleichsvolumen zur Hochdruckstufe während das folgenden Ansaugtaktes der Hochdruckstufe expandiert das gasförmige Medium adiabatisch und kühlt hierbei unter die Ansaugtemperatur der Niederdruckstufe zurück. Mit einem derartigen Ausgleichsvolumen kann somit auf einfache Weise das Ansaugvolumen der Hochdruckstufe verändert werden und gleichzeitig eine zusätzliche Kühlung des Verdichters erzielt werden. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, den Verdichter bei unterschiedlichen Eingangsdrücke zu betrieben, wobei weiterhin eine Überhitzung des Verdichters vermieden wird.
  • Besondere Vorteile ergeben sich, wenn gemäß der Erfindung das von dem Ausgleichsvolumen gebildete Totvolumen in Abhängigkeit von dem Eingangsdruck verstellbar ist. Hierdurch ist mit geringem Aufwand mit dem Ausgleichvolumen eine Totraumsteuerung der Hochdruckstufe in Abhängigkeit von dem Eingangsdruck erzielbar.
  • Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das Ausgleichsvolumen bei maximalem Eingangsdruck auf minimales Totvolumen eingestellt ist und mit abnehmendem Eingangsdruck in Richtung eines maximalen Totvolumens einstellbar ist. Hierdurch wird auf einfache Weise erzielt, dass mit fallendem Eingangsdruck der zusätzliche Kühleffekt durch das Ausgleichsvolumen zunimmt. Mit abnehmendem Eingangsdruck nimmt das Stufendruckverhältnis der Hochdruckstufe zu, wobei gleichzeitig die thermische Belastung des Verdichters zunimmt. Durch ein der Hochdruckstufe zugeordnetes und ein Totvolumen für die Hochdruckstufe bildendes Ausgleichsvolumen, dessen Kühleffekt mit fallendem Eingangsdruck durch eine Vergrößerung des Totvolumens zunimmt, kann somit die Verdichtertemperatur eines bei unterschiedlichen Eingangsdrücken verwendeten Verdichters auf einfache Weise abgesenkt werden.
  • Zweckmäßigerweise ist das Ausgleichsvolumen als Ausgleichszylinder ausgebildet, der einen in einem Gehäuse verschiebbaren Zylinder aufweist. Mit dieser Bauweise des Ausgleichsvolumens als Verstellzylinder kann ein verstellbares Totvolumen auf einfache Weise hergestellt werden.
  • Zweckmäßigerweise ist der Zylinder gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung als Stufenkolben mit einer ersten Steuerfläche versehen ist, die in dem Ausgleichsvolumen angeordnet ist und von dem Zwischendruck beaufschlagt ist und eine zweite Steuerfläche aufweist, die von dem Eingangsdruck beaufschlagt ist. Mit einem derartigen als Stufenkolben ausgebildeten Zylinder kann durch entsprechende Wahl der Größen der ersten und zweiten Steuerfläche auf einfache Weise eine Beaufschlagung des Zylinders in Richtung des minimalen Totvolumens bei maximalem Eingangsdruck und in Richtung des maximalen Totvolumens bei abnehmendem Eingangsdruck ermöglicht werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Ausgleichsvolumen mit einer Kühleinrichtung versehen, wodurch das in dem Ausgleichsvolumen befindliche Medium auf einfache Weise gekühlt werden kann und somit der Kühleffekt durch das Ausgleichsvolumen weiter erhöht werden kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kühleinrichtung von an dem Gehäuse angeordneten Kühlrippen gebildet, wodurch eine Kühleinrichtung des Ausgleichsvolumens mit geringem Bauaufwand hergestellt werden kann.
  • Der Verdichter weist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung einen in einem Gehäuse längsverschiebbaren Kolben auf, der hydraulisch antreibbar ist.
  • Die Niederdruckstufe umfasst zweckmäßigerweise einen ersten Druckraum und einen zweiten Druckraum, wodurch der Kolben zwei Druckräume der Niederdruckstufe ansteuert. Hierdurch können bei geringem Bauraumbedarf durch zwei Druckräume Pulsationen in den druckführenden Leitungen verringert werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Hochdruckstufe einen ersten Druckraum und einen zweiten Druckraum. Von dem Kolben werden somit weiterhin zwei Druckräume der Hochdruckstufe angesteuert, wobei geringe Pulsationen bei geringem Bauraumbedarf des Verdichters erzielbar sind.
  • Eine Kühlung des Verdichters im Bereich der Niederdruckstufe und der Hochdruckstufe kann auf einfache Weise erzielt werden, wenn an dem Gehäuse eine Außenkühlung vorgesehen ist.
  • Zur verbesserten Kühlung ist zweckmäßigerweise an dem Kolben eine Innenkühlung vorgesehen.
  • Der Kolben ist hierbei vorteilhafter Weise mit mindestens einer Längsbohrung versehen ist, die mit einem Antriebsdruckraum in Verbindung steht. Hierdurch kann eine Innenkühlung des Kolbens durch das den Verdichter antreibende hydraulische Druckmittel auf einfache Weise erzielt werden.
  • Bei einer Bauweise des Verdichters mit einer zwei Druckräume aufweisenden Hochdruckstufe ist vorteilhafterweise jedem Druckraum der Hochdruckstufe ein Ausgleichsvolumen zugeordnet.
  • Besondere Vorteile ergeben sich bei der Verwendung eines Verdichters zum Verdichten von Wasserstoff, insbesondere von Wasserstoff in einer Wasserstofftankstelle.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt
    • Figur 1
    einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Verdichters und
    Figur 2
    einen Ausschnitt der Figur 1 in einer vergrößerten Darstellung.
  • In der Figur 1 ist ein Längsschnitt eines erfindungsgemäßen als Linear-Kolbenverdichter 1 ausgebildeten Verdichters gezeigt.
  • Der Kolbenverdichter 1 weist eine in einer Gehäusebohrung 2 eines Gehäuses 3 längsverschiebbaren, stufenförmigen Kolben 4 auf, wobei zwischen dem Kolben 4 und der Gehäusebohrung 2 eine Niederdruckstufe 5 und eine Hochdruckstufe 6 ausgebildet ist.
  • Die Hochdruckstufe 6 ist im mittleren Bereich des Kolbenverdichters 1 ausgebildet und weist zwei Druckräume 6a, 6b auf, die zwischen einem am mittleren Bereich des Gehäuses 3 angeordneten Abdichtungselement 7 und dem Kolben 4 ausgebildet sind. An dem stufenförmigen Kolben 4 sind hierzu im Bereich eines Durchmesserübergangs Kolbenabschnitte 8a, 8b angeordnet, wobei die Druckräume 6a, 6b der Hochdruckstufe 6 im Bereich des vergrößerten Durchmessers des Kolbens 4 ausgebildet sind. In der dargestellten Stellung, wobei der Kolben 4 nach in der Figur 1 rechts beaufschlagt ist, weist der linke Druckraum 6a minimales Verdrängervolumen und der rechte Druckraum 6b maximales Verdrängervolumen auf.
  • Die Niederdruckstufe 5 ist zu beiden Seiten der Hochdruckstufe 6 im Bereich des verringerten Durchmessers des Kolbens 4 ausgebildet und weist zwei Druckräume 5a, 5b auf, die zwischen der Gehäusebohrung 3 und den an dem Kolben 4 angeordneten Kolbenabschnitten 8a, 8b im Bereich des Kolbens mit dem verringerten Durchmesser ausgebildet sind.
  • In der dargestellten Stellung des Kolbens 4 weist der linke Druckraum 5a maximales Verdrängervolumen und der rechte Druckraum 5b minimales Verdrängervolumen auf.
  • Der Kolbenverdichter 1 ist hydraulisch antreibbar, wobei an dem Kolben 4 an den äußeren Bereichen benachbart zu der Niederdruckstufe 5 hydraulisch beaufschlagbare Antriebsdruckräume 9a, 9b ausgebildet sind. In der dargestellten Stellung der Kolbenstange 4 ist der Antriebsdruckraum 9a mit hydraulischem Druckmittel beaufschlagt. Bei einer Beaufschlagung des Antriebsdruckraumes 9b wird die Kolbenstange 4 entsprechend nach in der Figur 1 nach links beaufschlagt.
  • Zur Steuerung des Kolbenverdichters sind den Druckräumen 5a, 5b der Niederdruckstufe 5 jeweils ein Niederdruck-Saugventil 10a, 10b und ein Niederdruck-Druckventil 11 a, 11 b zugeordnet. Den Druckräumen 6a, 6b der Hochdruckstufe 6 sind entsprechend jeweils ein Hochdruck-Saugventil und ein Hochdruck-Druckventile zugeordnet, wobei in der Figur 1 lediglich das dem Druckraum 6a zugeordnete Hochdruck-Saugventil 12a und Hochdruck-Druckventil 13a gezeigt ist.
  • Am Außenumfang des Gehäuses 2 ist im Bereich der Niederdruckstufe 5 und der Hochdruckstufe 6 eine Außenkühlung 15a, 15b vorgesehen.
  • Zur weiteren Kühlung des Kolbenverdichters weist der Kolben 4 als Sackbohrungen ausgebildete Längsbohrungen 16a, 16b auf, die mit den Antriebsdruckräumen 9a, 9b in Verbindung stehen, wodurch durch das den Kolbenverdichter 1 antreibende Druckmittel eine Innenkühlung des Kolbenverdichters 1 erzielt wird.
  • Darüber hinaus ist der Kolbenverdichter 1 mit einem Wegemesssystem 17 versehen.
  • Erfindungsgemäß ist jedem Druckraum 6a, 6b der Hochdruckstufe ein Ausgleichsvolumen 20a, 20b mit verstellbarem Totvolumen vorgeschalten.
  • In den Figuren 1 und 2 ist das dem Druckraum 6a vorgeschaltene Ausgleichsvolumen 20a in einem Längsschnitt dargestellt. Das dem Druckraum 6b zugeordnete Ausgleichsvolumen 20b weist einen identischen Aufbau auf.
  • Das Ausgleichsvolumen 20a ist als Ausgleichszylinder 21 ausgebildet, das einen in einer Gehäusebohrung 28 eines Gehäuses 22 längsverschiebbaren Zylinder 23 aufweist, wobei zwischen der Gehäusebohrung 28 des Gehäuses 22 und dem Zylinder 23 das von dem Ausgleichsvolumen 20a gebildete verstellbare Totvolumen ausgebildet ist, das mittels einer Leitung 26 an den Eingang des Druckraums 6a der Hochdruckstufe 6 angeschlossen ist, insbesondere an die den Druckraum 5a der Niederdruckstufe 5 mit dem Druckraum 6a der Hochdruckstufe 6 verbindenden Verbindungsleitung stromab des Hochdruck-Saugventils 12a des Druckraumes 6a der Hochdruckstufe 6. Der Zylinder 23 ist als Stufenkolben ausgebildet und weist an einer in dem Ausgleichsvolumen 20a angeordneten Stirnfläche einer erste Steuerfläche 24 auf, die von dem von der Niederdruckseite erzeugten, im Ausgleichsvolumen 20a anstehenden Zwischendruck beaufschlagt ist. An einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Zylinders 23 ist eine zweite Steuerfläche 25 ausgebildet, ist von dem Eingangsdruck der Niederdruckstufe beaufschlagt ist. Die zweite Steuerfläche 25 ist hierbei größer als die erste Steuerfläche 24.
  • Durch entsprechende Verstellung des Zylinders 23 in der Gehäusebohrung 28 wird somit von dem Ausgleichsvolumen 20a ein verstellbares Totvolumen für den Druckraum 6a der Hochdruckstufe 6 gebildet.
  • An dem Gehäuse 22 ist im Bereich des Ausgleichsvolumens 20a eine Kühleinrichtung 27 angeordnet, die beispielsweise von am Außenumfang des Gehäuses 22 angeordneten Kühlrippen gebildet ist.
  • In der dargestellten Stellung bei minimalem Eingangsdruck des Kolbenverdichters 1 weist das Ausgleichsvolumen 20a bei nach in der Figur 2 oben ausgelenktem Zylinder 23 maximales Totvolumen auf. Mit zunehmendem an der zweiten Steuerfläche 25 des als Stufenkolben ausgebildeten Zylinders 23 anstehenden Eingangsdruck der Niederdruckstufe 5 wird der Zylinder 23 nach in der Figur 2 unten beaufschlagt, wodurch das Ausgleichsvolumen 20a in Richtung eines minimalen Totvolumens bei maximalem Eingangsdruck des Kolbenverdichters 1 beaufschlagt wird.
  • Im Betrieb des Kolbenverdichters 1 wird gasförmiges Medium nach dem Ansaugtakt im Verdichtungstakt aus dem Druckraum 5a der Niederdruckstufe 5 über das Druckventil 11a und das Saugventil 13a dem Druckraum 6a der Hochdruckstufe 6 zugeführt, die sich im Ansaugtakt befindet. Durch den Anschluss des Ausgleichsvolumens 20a an die von der Niederdruckstufe 5 zur Hochdruckstufe 6 führende Verbindungsleitung stromab des Hochdruck-Saugventils 13a der Hochdruckstufe 6 wird ebenfalls von der Niederdruckstufe 5 auf den Zwischendruck verdichtetes Medium dem Ausgleichsvolumen 20a und somit dem einstellbaren Totvolumen zugeführt und durch die Kühleinrichtung 27 gekühlt. Während des nächsten Ansaugtaktes der Hochdruckstufe 6, wobei Medium aus dem Ausgleichsvolumens 20a zum Druckraum 6a der Hochdruckstufe 6 angesaugt wird, entspannt das gasförmige Medium aus dem das Totvolumen bildenden Ausgleichsvolumen 20a adiabatisch und kühlt hierbei unter die Ansaugtemperatur ab.
  • Durch das in Abhängigkeit von dem Eingangsdruck gesteuerte Ausgleichsvolumen 20a ist es möglich, das Ansaugvolumen der Hochdruckstufe 6 zu verändern und somit den Verdichter bei unterschiedlichen Eingangsdrücken zu betreiben, wobei durch die zusätzliche Kühlung des Mediums mittels des Ausgleichsvolumen 20a und insbesondere der Kühleinrichtung 27 die Temperatur des Verdichters, insbesondere nach der Niederdruckstufe 5 bei abnehmendem Eingangsdruck, wobei das Stufendruckverhältnis und somit die thermische Belastung der Hochdruckstufe 6 zunimmt, gesenkt werden kann.

Claims (14)

  1. Verdichter, insbesondere Kolbenverdichter, zum Verdichten eines gasförmigen Mediums mit einer Niederdruckstufe (5) zum Verdichten des Mediums von einem Eingangsdruck auf einen Zwischendruck, und einer Hochdruckstufe (6) zum Verdichten des Mediums von dem Zwischendruck auf einen Hochdruck, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckstufe (6) ein Ausgleichsvolumen (20a; 20b) mit verstellbarem Totvolumen vorgeschalten ist und dass das von dem Ausgleichsvolumens (20a; 20b) gebildete Totvolumen in Abhängigkeit von dem Eingangsdruck gesteuert wird.
  2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsvolumen (20a; 20b) bei maximalem Eingangsdruck auf minimales Totvolumen eingestellt ist und mit abnehmendem Eingangsdruck in Richtung eines maximalen Totvolumens einstellbar ist.
  3. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsvolumen (20a; 20b) als Ausgleichszylinder (21) ausgebildet ist, der einen in einem Gehäuse (22) verschiebbaren Zylinder (23) aufweist.
  4. Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (23) als Stufenkolben mit einer ersten Steuerfläche (24) versehen ist, die in dem Ausgleichsvolumen (20a; 20b) angeordnet ist und von dem Zwischendruck beaufschlagt ist und eine zweite Steuerfläche (25) aufweist, die von dem Eingangsdruck beaufschlagt ist (Steuerfläche am oberen Ende). (automatisches Erhöhen des Totvolumens bei abnehmendem Eingangsdruck)
  5. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsvolumen (20a; 20b) mit einer Kühleinrichtung (27) versehen ist.
  6. Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (27) von an dem Gehäuse (22) angeordneten Kühlrippen gebildet ist.
  7. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter einen in einem Gehäuse (3) längsverschiebbaren Kolben (4) aufweist, der hydraulisch antreibbar ist.
  8. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckstufe (5) einen ersten Druckraum (5a) und einen zweiten Druckraum (5b) aufweist.
  9. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckstufe (6) einen ersten Druckraum (6a) und einen zweiten Druckraum (6b) aufweist.
  10. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuse (3) eine Außenkühlung (15a; 15b) vorgesehen ist.
  11. Verdichter nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kolben (4) eine Innenkühlung vorgesehen ist.
  12. Verdichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (4) mit mindestens einer Längsbohrung (16a; 16b) versehen ist, die mit einem Antriebsdruckraum (9a; 9b) in Verbindung steht.
  13. Verdichter nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Druckraum (6a; 6b) der Hochdruckstufe (6) ein Ausgleichsvolumen (20a; 20b) zugeordnet ist.
  14. Verwendung eines Verdichters nach einem der vorangegangenen Ansprüche zum Verdichten von Wasserstoff, insbesondere in einer Wasserstofftankstelle.
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