EP2122169B1

EP2122169B1 - Fluidarbeitsmaschine

Info

Publication number: EP2122169B1
Application number: EP07856620.5A
Authority: EP
Inventors: Manfred Dehnen; Heiko Habel; Christopher Skamel
Original assignee: Andreas Hofer Hochdrucktechnik GmbH
Current assignee: Andreas Hofer Hochdrucktechnik GmbH
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: WO2008074428A1; JP5431953B2; EP2122169A1; US20110052430A1; JP2010513779A; DE102006060147A1; JP2014090663A; DE102006060147B4; JP5868382B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidarbeitsmaschine zum Verdichten bzw. Fördern von Fluiden, insbesondere zum Verdichten von Gasen auf hohe Drücke, mit einem Linearmotor, mindestens einem Zylinder, einem in dem Zylinder axial bewegbaren Festkörperkolben, mindestens einem zwischen dem Zylinder und dem Festkörperkolben bzw. dem Flüssigkeitskolben ausgebildeten Kompressionsraum, und Ventilen für den Einlass und den Auslass des Fluids, die im Bereich des mindestens einen Kompressionsraums angeordnet sind, wobei der Linearmotor eine translatorische Antriebskraft auf den Festkörperkolben überträgt und der Festkörperkolben im Bereich des Linearmotors von einem fest angeordneten Spaltrohr umschlossen ist, so dass zwischen dem Festkörperkolben und dem Spaltrohr ein Zylinderinnenraum ausgebildet ist.
Fluidarbeitsmaschinen sind in verschiedenen Ausführungsformen und Varianten aus dem Stand der Technik bekannt. Die Fluidarbeitsmaschinen kann man dabei zunächst danach unterteilen, ob sie zum Fördern bzw. Verdichten von Flüssigkeiten oder von Gasen vorgesehen sind. Fluidarbeitsmaschinen, die zum Fördern von Flüssigkeiten eingesetzt werden, werden allgemein auch als Pumpen bezeichnet, während Fluidarbeitsmaschinen zum Verdichten von Gasen als Verdichter oder Kompressoren bezeichnet werden. Darüber hinaus können Fluidarbeitsmaschinen auch nach der Art der Antriebskraft - hydraulisch, elektrisch oder elektro-magnetisch - sowie nach der Art der Antriebsbewegung - rotatorisch oder translatorisch - unterschieden werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidarbeitsmaschine, bei der die Antriebskraft von einem Linearmotor erzeugt wird, der auf einen in einem Zylinder geführten Kolben direkt, d. h. ohne Umwandlung einer Drehbewegung über eine Getriebe, eine translatorische Antriebskraft ausübt. Soll mit einer derartigen Fluidarbeitsmaschine ein Gas verdichtet werden, so kann die Maschine auch als Kolbenverdichter oder als Linearkompressor bezeichnet werden. Der Linearmotor besteht dabei im wesentlichen aus einem Stator bzw. Ständer und einem Läufer bzw. Aktuator, wobei der Linearmotor wie auch ein rotierender Motor als Asynchron- oder Synchron-Linearmotor ausgebildet sein kann. Der Linearmotor entspricht dann einem abgewickelten Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer oder einem permanent erregten Synchron-Motor, wobei von der Spule bzw. Wicklung des Stators anstelle eines Drehfeldes ein Wanderfeld erzeugt wird. Die Kraftübertragung erfolgt wie bei Drehfeldmaschinen entweder durch Spannungsinduktion im Kurzschlussläufer des Asynchronmotors oder durch Interaktion mit dem Feld der Permanentmagnete des Synchronmotors.
Aus der DE 10 2004 055 924 A1 ist ein zuvor beschriebener Linearkompressor bekannt, bei dem der Magnet des Läufers an einem Magnetrahmen befestigt ist, der fest an einer Stirnseite des Kolbens angebracht ist. Bei dem bekannten Linearkompressor ist zur Kühlung des Linearmotors ein Kühlkanal vorgesehen, durch den die auf einem Spulenhalter befestigte Spule des Stators mit einem Kühlmittel gekühlt wird. Hierzu ist eine Pumpe vorgesehen, die Öl innerhalb eines den Linearkompressor hermetisch abdichtenden Behälters durch den Kühlkanal zur Spule bzw. zum Spulenhalter fördert. Das rücklaufende Öl wird dabei im unteren Teil des hermetisch abgedichteten Behälters gesammelt.
Aus der DE 102 14 047 A1 ist ein Kompressor für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf bekannt, der ein Kompressorgehäuse mit einem darin ausgebildeten Kompressionsraum und einem in diesem hin- und her bewegbaren Hubkolben aufweist, bei dem als Antrieb für den Kompressor ein Linearmotor mit veränderbarer Ansteuerfrequenz eingesetzt ist, an dessen Reaktionsteil an der kompressorraumseitigen Stirnseite der Hubkolben befestigt ist. Der bekannte Kompressor ist einfach aufgebaut, besteht aus nur wenigen Bauteilen und ist relativ kleinbauend. Lagerungs-, Schmierungs- und Dichtungsprobleme sollen - jedenfalls bei einem Druckniveau auf der Hochdruckseite zwischen 80 und 160 bar - nicht auftreten. Die Abdichtung des Hubkolbens gegenüber der Kompressionsraumwandung erfolgt mittels üblicher Ringdichtungen am Hubkolben. Da bei derartig bewegten Dichtungen zumindest im Laufe der Zeit prinzipbedingt Leckagen zur Atmosphäre auftreten, ist der aus der DE 102 14 047 A1 bekannte Kompressor zumindest nicht zum Verdichten bis auf hohe Drücke (> 150 bar) geeignet und auch nicht vorgesehen.
Die DE 198 46, 711 C2 offenbart eine Hochdruckpumpe mit einem Solenoid-Linear-Motor, dessen Spulenkörper auf einer einen Innenraum dichtend umschließenden, hochdruckfesten, antimagnetischen Hülse sitzt, die zwischen zwei Gehäuseflanschen eingespannt ist. Die Gehäuseflansche tragen auf ihrer Außenseite zur Längsachse des Spulenkörpers ausgerichtete Drückzylinder, in denen ein im Innenraum der Hülse befindlicher Permanentmagnetstab angeordnet ist, an dessen über den Spulenkörper und die Hülse hinausgehenden beiden Enden jeweils ein Druckkolben angeordnet ist. Durch die Hülse ist der Innenraum hermetisch abgedichtet. Von den Dichtungen der Druckkolben durchgelassene Leckflüssigkeit fließt in den Innenraum, umspült den Permanentmagnetstab und baut einen Gegendruck auf, so das aufwendige Hochdruckdichtungen zwischen den Druckkolben und den Druckzylindern entfallen können
Die US 3,196,797 A offenbart einen Kompressor mit einem Linearmotor, einem Zylinder und zwei in dem Zylinder axial bewegbaren Kolben, die über eine einen breiteren Kern aufweisende Kolbenstange miteinander verbunden sind. Innerhalb des Zylinders sind Kanäle ausgebildet, durch die die Flüssigkeit vom Einlass zu den an die Kolben anschließenden Kompressionsräumen im Zylinder gelangen kann. Bei dem aus der US 3,196,797 A bekannten Kompressor ist der Einlass für die zu verdichtende Flüssigkeit in der Mitte des Linearmotors zwischen zwei Spulenhälften vorgesehen, wozu ein Rohr über einen hohlen Ring zwischen den beiden Spulenhälften durchgeführt und mit den Kanälen verbunden ist.
Die DE 29 37 157 A1 offenbart eine Kolbenverdrängerpumpe mit zwei Verdrängerkolben, die über eine Kolbenstange miteinander verbunden und in einem Zylinder hin- und her verschiebbar angeordnet sind. Der Einlass und der Auslass der Flüssigkeit erfolgt über Ventile, die seitlich an den förderseitigen Zylinderkopf angeordnet sind. Die bekannte Kolbenverdrängerpumpe weist ein Spaltrohr auf, innerhalb dessen sich der Innenkörper einer Magnetkupplung befindet. Außerhalb des Spaltrohres ist der Außenkörper der Magnetkupplung angeordnet. Der Innenkörper weist dabei eine Entlastungsbohrung auf, die dazu dient, die Beweglichkeit der Kolbenstange bzw. der beiden Kolben sicherzustellen, indem Leckflüssigkeit von der einen Seite des Innenkörpers durch die Entlastungsbohrung zur anderen Seite des Innenkörpers strömen kann.
Die DE 103 14 007 A1 offenbart eine Kolbenvakuumpumpe mit einem linear geführten Kolben und einer den Kolben antreibenden steuerbaren Magnetanordnung, die zwei mit umschaltbaren Erregerströmen beaufschlagte, den Kolben antreibende Arbeitsspulen aufweist.
Eingangs ist ausgeführt, dass die Fluidarbeitsmaschine einem in dem Zylinder axial bewegbaren Festkörperkolben aufweist. Unter einem Festkörperkolben sollen dabei im Rahmen der Erfindung (übliche) feste bzw. massive (Metall-) Kolben verstanden werden, wie sie seit langem bekannt sind. Die zuvor beschriebenen Kompressoren weisen derartige Festkörperkolben auf.
Eine Fluidarbeitsmaschine mit einem Flüssigkeitskolben ist beispielsweise aus der DE 10 2004 046 316 A1 bekannt, wobei bei dem dort offenbarten Verdichter vorzugsweise eine ionische Flüssigkeit verwendet wird, so dass der Verdichter auch als "ionischer Verdichter" bezeichnet wird. Der bekannte Verdichter weist zwei miteinander verbundene Zylinder auf, in denen sich jeweils eine Flüssigkeit und das zu verdichtende Gas befinden. Mittels einer Hydraulikpumpe werden die Flüssigkeitsstände in den beiden Zylindern derart variiert, dass einer der Zylinder das zu verdichtende Gas ansaugt, während in dem anderen Zylinder eine Verdichtung des Gases erfolgt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs beschriebene Fluidarbeitsmaschine zum Verdichten bzw. Fördern von Fluiden zur Verfügung zu stellen, die bei möglichst einfachem Aufbau eine leckage- und möglichst auch schmiermittelfreie Verdichtung bzw. Förderung von Fluiden, insbesondere eine Verdichtung von Gasen auf hohe Drücke, ermöglicht.
Diese Aufgabe ist bei der eingangs beschriebenen Fluidarbeitsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass der mit dem Spaltrohr verbundene Kompressionsraum über eine Leitung oder einen Kanal mit der Fluideintrittsseite verbunden ist, so dass der Druck in dem vom Spaltrohr umgebenden Zylinderinnenraum reduziert ist.
Erfindungsgemäß ist der mit dem Spaltrohr verbundene Kompressionsraum über eine Leitung oder einen im Zylinder oder im Gehäuse ausgebildeten Kanal mit der Fluideintrittsseite, d. h. mit der Saugseite der Fluidarbeitsmaschine verbunden. Durch diese Maßnahme wird der Druck im Bereich des Spaltrohres auf den niedrigen Druck an der Fluideintrittsseite reduziert. Interne Leckagen, die entlang der bewegten Kolbenabdichtungen auftreten, werden auf den Saugdruck entspannt und an die Fluideintrittsseite abgeführt. Dadurch kann die erforderliche Wandstärke des Spaltrohres reduziert werden, wodurch sich bei einer Anordnung des Spaltrohres zwischen dem Läufer und der Spule des Stators die elektrischen Verluste verringern. Eine bei besonders hohen Drücken ansonsten erforderliche dick- oder doppelwandige Ausführung des Spaltrohres kann dadurch entfallen. Unabhängig davon ist jedoch zur Erhöhung der Sicherheit, insbesondere bei besonders gefährlichen Gasen (toxischen, umweltbelastenden oder radioaktiven Gasen) die Verwendung eines doppelwandigen Spaltrohres möglich.
Durch die Anordnung eines Spaltrohres kann auf einfache Art und Weise die Leckagefreiheit zur Atmosphäre erreicht werden. Die bei Abdichtung des Festkörperkolbens zum Antrieb und somit zur Atmosphäre an bewegten Dichtungen prinzipbedingt auftretenden Leckagen werden durch das Spaltrohr vermieden. Durch die Anordnung des Spaltrohres kann zur Atmosphäre ausschließlich mit statischen Dichtungen abgedichtet werden.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Spaltrohr in radialer Richtung zwischen dem Läufer und der Spule des Stators angeordnet, so dass das Spaltrohr den Läufer umschließt. Bei dieser Ausführungsform befindet sich das Spaltrohr somit zwischen dem Stator und dem Läufer. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind sowohl der Läufer als auch die Spule des Stators innerhalb des Spaltrohres angeordnet, so dass das Spaltrohr den Läufer und den Stator umschließt.
Bei der ersten Ausführungsvariante dient das Spaltrohr somit als Trennwand zwischen dem elektrischen Antriebssystem und dem fluidberührten Kompressionsraum bzw. dem bewegten Festkörperkolben, wobei das Spaltrohr zur Energieübertragung vom Magnetfeld durchdrungen wird. Dadurch kommt es zu elektrischen Verlusten als Folge von Wirbelströmen im Spaltrohr sowie zu einer Erwärmung des Spaltrohres, so dass der Wirkungsgrad eines Linearmotors mit dazwischen angeordnetem Spaltrohr geringer ist als der Wirkungsgrad eines Linearmotors mit außen liegendem Spaltrohr. Dieser Nachteil der größeren Verluste tritt bei der zweiten Ausführungsvariante, bei der das Spaltrohr den Läufer und den Stator umschließt, nicht auf. Diese Ausführungsform ist somit - zumindest theoretisch - vorteilhaft, es sei denn, dass mit der Fluidarbeitsmaschine aggressive Medien verdichtet werden sollen. In diesem Fall wäre die Spule bei dem außen liegenden Spaltrohr ebenfalls dem aggressiven Medium ausgesetzt, was zu einer Beeinträchtigung der Lebensdauer der Spule fuhren kann.
Die erfindungsgemäße Fluidarbeitsmaschine kann vorteilhafter Weise dadurch einfach aufgebaut sein, dass die Magnete des Läufers direkt auf dem Kolben angeordnet sind. Durch eine Befestigung der Magnete des Läufers direkt auf dem Kolben entfällt die Ausbildung und Anordnung eines separaten Magnetrahmens. Darüber hinaus können durch diese Ausgestaltung die radialen Abmessungen der Fluidarbeitsmaschine, insbesondere des Zylinders, verringert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Fluidarbeitsmaschine mehrstufig ausgebildet, d. h. die Verdichtung eines Gases erfolgt in mindestens zwei, vorzugsweise in vier Stufen. Alternativ dazu ist auch eine einstufige Verdichtung möglich, wobei dann vorzugsweise eine Ausgleichsstufe vorgesehen ist, um die für die Verdichtung notwenigen resultierenden Kräfte gering zu halten. Erfolgt die Verdichtung des Gases mehrstufig, so ist vorteilhafter vorgesehen, dass der Festkörperkolben mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist. Der Kolben kann dabei herstellungstechnisch aus mehreren Kolbenabschnitten zusammengesetzt sein.
Zur Reduzierung von elektrischen Verlusten, die durch die Verwendung des Spaltrohres auftreten können, ist es darüber hinaus möglich, das Spaltrohr nicht aus Metall sondern aus einem Kunststoff oder aus Keramik herzustellen. Bei der Auswahl des Kunststoffes bzw. der Keramik muss dabei darauf geachtet werden, dass das Spaltrohr auch dem maximal auftretenden Druck sicher standhalten kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist - wie im Stand der Technik grundsätzlich bekannt - mindestens ein Wärmetauscher zur Rückkühlung des Fluids vorgesehen. Bei einer mehrstufigen Fluidarbeitsmaschine ist dabei vorzugsweise nach jeder Verdichtungsstufe ein derartiger Wärmetauscher angeordnet. Das zur Rückkühlung eines Gases durch den Wärmetauscher benötigte Kühlmittel kann dann vorzugsweise auch zur Kühlung des Linearmotors verwendet werden. Die Kühlung erfolgt dabei vorzugsweise von außen, d. h. über ein den Linearmotor umgebendes Gehäuse, so dass weder der Läufer noch der Stator direkt mit dem Kühlmittel in Berührung kommt. Alternativ zur Verwendung eines separaten Kühlmittels kann sowohl zur Rückkühlung des Fluids als auch zur Kühlung des Linearmotors das Fluid selber verwendet werden, sofern dieses in einem entsprechend kaltem Zustand vorliegt. Handelt es sich bei dem zu verdichtenden Gas, beispielsweise um Wasserstoff, welches vor der Verdichtung tiefkalt in der Flüssigphase vorliegt, so kann das Gas in der Flüssigphase als Kühlmittel genutzt werden.
Die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Fluidarbeitsmaschine eignet sich insbesondere zur Verdichtung von Gasen auf hohe Drücke, insbesondere zur Verdichtung von Wasserstoff auf 500 bar oder mehr. Damit eignet sich ein derartiger Linearkompressor insbesondere für die Ausrüstung von Wasserstofftankstellen.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Fluidarbeitsmaschine auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fluidarbeitsmaschine,
Fig. 2: eine vergrößerte Darstellung des Teilbereichs A der Fluidarbeitsmaschine gemäß Fig. 1,
Fig. 3: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fluidarbeitsmaschine,
Fig. 4: eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs der Fluidarbeitsmaschine gemäß Fig. 3, und
Fig. 5: ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fluidarbeitsmaschine.

Die Fig. 1, 3 und 5 zeigen drei unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Fluidarbeitsmaschine 1, wobei es sich bei den Figuren lediglich um vereinfachte Darstellungen handelt, so dass nur die für die vorliegende Erfindung wesentlichen Bauteile dargestellt sind. Die in den Figuren dargestellten Fluidarbeitsmaschinen 1 dienen zum Verdichten von Gasen, insbesondere von Wasserstoff, auf einen hohen Druck von beispielsweise 500 bar. Derartige Fluidarbeitsmaschinen 1 sind daher insbesondere für die Ausrüstung von Wasserstofftankstellen vorteilhaft einsetzbar.
Die in den Fig. 1, 3 und 5 dargestellten Fluidarbeitsmaschinen 1 weisen jeweils einen Linearmotor 2 zum Antrieb eines in einem Zylinder 3 bewegbar angeordneten Festkörperkolbens 4 auf. Durch den Einsatz des Linearmotors 2 als Antrieb wird auf den Festkörperkolben 4 eine translatorische Antriebskraft ausgeübt, so dass sich der Festkörperkolben 4 axial innerhalb des Zylinders 3, 3' hin und her bewegen kann. Innerhalb des Zylinders 3 befindet sich mindestens ein Kompressionsraum 5, für das zu verdichtende Gas, wobei sich die Größe des Kompressionsraums 5 in Abhängigkeit von der Position des Festkörperkolbens 4 verändert.
Bei den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 und 3 ist die Fluidarbeitsmaschine 1 insgesamt 4-stufig ausgebildet, so dass die Verdichtung des Gases in vier aufeinanderfolgenden Stufen erfolgt. Entsprechend sind bei diesen beiden Ausführungsbeispielen an dem Festkörperkolben 4 vier Abschnitte 41, 42, 43, 44 mit jeweils unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet. Korrespondierend dazu weist auch der Zylinder 3, 3' vier unterschiedliche Abschnitte mit unterschiedlichen Innendurchmessern auf, so dass insgesamt vier Kompressionsräume 5 ausgebildet sind. Im Unterschied dazu ist die Fluidarbeitsmaschine 1 gemäß Fig. 5 nur einstufig ausgebildet, wobei es sich hier jedoch um eine doppelt wirkende Fluidarbeitsmaschine 1 handelt, so dass auf beiden Seiten des Festkörperkolbens 4 jeweils ein Kompressionsraum 5 ausgebildet ist.
Allen drei Ausführungsvarianten ist gemeinsam, dass der Festkörperkolben 4 im Bereich des Linearmotors 2 von einem fest angeordneten Spaltrohr 6 umschlossen ist. Durch die Anordnung des Spaltrohres 6 wird dabei eine sichere Abdichtung des Zylinderinnenraums 7 gewährleistet, so dass insgesamt die gewünschte Leckagefreiheit der Fluidarbeitsmaschine 1 auf einfache Art und Weise erreicht wird. Die Leckagefreiheit zur Atmosphäre muss dabei nicht mehr durch die an dem Festkörperkolben 4 angeordneten Kolbenabdichtungen 8 realisiert werden, die die Leckagefreiheit aufgrund ihrer Anordnung und Ausbildung als bewegte Dichtungen prinzipbedingt nicht bzw. nicht dauerhaft und insbesondere nicht schmiermittelfrei gewährleisten können. Die sonst übliche Durchführung der Kolbenstange zum Antrieb entfällt somit, ebenso die dafür erforderlichen bewegten Dichtsysteme. Die-Leckagefreiheit zur Atmosphäre wird somit ausschließlich mit statischen Dichtungen 18 gewährleistet.
Der in den Figuren 1 bis 5 dargestellte Linearmotor 2 weist einen Stator mit einer Spule 9 und einen Läufer mit mehreren Magneten 10 auf, wobei die Magnete 10 unmittelbar auf dem Festkörperkolben 4 angeordnet sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bzw. entsprechend der vergrößerten Darstellung in Fig. 2 ist das Spaltrohr 6 in radialer Richtung zwischen dem Läufer, d. h. den Magneten 10 und der Spule 9 des Stators angeordnet, so dass das Spaltrohr 6 nicht nur den Festkörperkolben 4 sondern auch die Magnete 10 des Läufers umschließt. Bei dieser Ausführungsform befindet sich das Spaltrohr 6 somit zwischen dem Stator und dem Läufer, so dass das Spaltrohr 6 vom magnetischen Feld durchsetzt wird. Im Unterschied dazu sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 bzw. entsprechend der vergrößerten Darstellung in Fig. 4 sowohl der Läufer, d. h. die Magnete 10 als auch die Spule 9 des Stators innerhalb des Spaltrohres 6 angeordnet. Bei dieser Ausführungsvariante sind somit nicht nur die Magnete 10 sondern auch die Spule 9 dem Fluid ausgesetzt, welches trotz der Kolbenabdichtung 8 in den Zylinderinnenraum 7 im Bereich des Spaltrohres 6 eintritt.
In den Fig. 1, 3 und 5 ist angedeutet, dass der mit dem Spaltrohr 6 verbundene Kompressionsraum 5 über eine Leitung 11 mit der Fluideintrittsseite 12 der Fluidarbeitsmaschine 1 verbunden ist. Dies führt dazu, dass interne Leckagen, die trotz der Kolbenabdichtungen 8 zwischen dem Außenumfang des Festkörperkolbens 4 und der Innenwandung des Zylinders 3 auftreten, auf den Saugdruck entspannt und an die Fluideintrittsseite 12 abgeführt werden. Dadurch wird der Druck in dem von dem Spaltrohr 6 umgebenen Zylinderinnenraum 7 reduziert, wodurch das Spaltrohr 6 bei der Ausgestaltung gemäß den Fig. 1 und 2 bzw. die Spule 9 und das Spaltrohr 6 bei der Ausgestaltung gemäß den Fig. 3 und 4 nicht unnötig belastet werden. Durch die so erfolgte Reduzierung des Drucks in dem vom Spaltrohr 6 umgebenen Zylinderinnenraum 7 kann eine entsprechend geringere Wandstärke für das Spaltrohr 6 ausgewählt werden, wodurch es zu einer Reduzierung von in dem Spaltrohr 6 auftretenden Wirbelstromverlusten kommt.
Alternativ dazu kann der mit dem Spaltrohr 6 verbundene Kompressionsraum 5 auch direkt mit der Fluideintrittsseite 12 verbunden sein, d. h. der Fluideintritt erfolgt in dem mit dem Spaltrohr 6 verbundene Kompressionsraum 5. Weist das zu verdichtende Fluid eine niedrige Temperatur auf, so kann dadurch gleichzeitig eine Kühlung des Linearmotors 2 erfolgen.
Wie im Stand der Technik bekannt, erfolgt der Einlaß sowie der Auslaß des zu verdichtenden Gases über Ventile 13, die im Bereich der einzelnen Kompressionsräume 5 angeordnet und vorzugsweise als Plattenventile ausgebildet sind. Durch die anliegenden Differenzdrücke zwischen dem Kompressionsraum 5 und dem jeweiligen Ein- bzw. Auslaß erfolgt dann ein selbsttätiges Öffnen bzw. Schließen der Ventile 13. Da bei den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 und 3 eine vierstufige Verdichtung des Gases erfolgt, weisen die Fluidarbeitsmaschinen 1 auch jeweils vier Einlaß- bzw. Auslaßventile 13 auf.
In den Fig. 1 und 3 ist darüber hinaus angedeutet, dass die einzelnen Kompressionsräume 5 über Leitungen 14 miteinander verbunden sind, wobei in den einzelnen Leitungen 14 jeweils ein Wärmetauscher 15 zur Rückkühlung des komprimierten Gases vorgesehen ist. Darüber hinaus ist in den Fig. 1, 3 und 5 noch angedeutet, dass die Fluidarbeitsmaschine 1 einen Kühlmittelkreislauf 16 zur Kühlung der Spule 9 des Stators und somit zur Kühlung des Linearmotors 2 insgesamt aufweist. Die Kühlung erfolgt dabei von außen, d. h. über ein die Spule 9 umgebendes Gehäuse 17, so dass die Spule 9 nicht direkt mit dem Kühlmittel in Berührung kommt. Sowohl zur Rückkühlung des verdichteten Gases in den Wärmetauschern 15 als auch zur Kühlung des Linearmotors 2 kann dabei dasselbe Kühlmittel verwendet werden.
Schließlich ist aus den Figuren noch ersichtlich, dass die dargestellten Ausführungsbeispiele der Fluidarbeitsmaschine 1 jeweils zwei Zylinder 3; 3' aufweisen, wobei der Linearmotor 2 mit dem Spaltröhr 6 bzw. das den Linearmotor z umgebende Gehäuse 17 zwischen den beiden Zylindern 3, 3' angeordnet ist. Die Abdichtung zwischen den Stirnseiten der beiden Zylinder 3, 3' und den korrespondierenden Stirnseiten des Gehäuses 17 erfolgt dabei über statische Dichtungen 18.
Den Fig. 3 und 4 ist darüber hinaus noch entnehmbar, dass die elektrischen Leitungen 19 zu dem innerhalb des Spaltrohres 6 angeordneten Stator mit Hilfe druckdichter Kabeldurchführungen 20 leckagefrei zum Anschlußkasten 21 geführt sind, wobei auch der Anschlußkasten 21 druckdichte Kabeldurchführungen 20 aufweist, so dass die durch das Spaltrohr 6 gewonnene Leckagefreiheit zur Atmosphäre nicht durch den Anschluss der erforderlichen Leitungen 19 aufgehoben wird.
Die in den Figuren dargestellten Fluidarbeitsmaschinen 1 eignen sich insbesondere zur Verdichtung von Gasen, vorzugsweise von Wasserstoff, auf hohe Drücke von beispielsweise 1000 bar, so dass derartige Fluidarbeitsmaschinen 1 zur Ausrüstung von Wasserstofftankstellen besonders geeignet sind.

Claims

Fluidarbeitsmaschine zum Verdichten bzw. Fördern von Fluiden, insbesondere zum Verdichten von Gasen auf hohe Drücke, mit einem Linearmotor (2), mindestens einem Zylinder (3), einem in dem Zylinder (3) axial bewegbaren Festkörperkolben (4), mindestens einem zwischen dem Zylinder (3) und dem Festkörperkolben (4) ausgebildeten Kompressionsraum (5) und Ventilen (13) für den Einlass und den Auslass des Fluids, die im Bereich des mindestens einen Kompressionsraums (5) angeordnet sind,
wobei der Linearmotor (2) eine translatorische Antriebskraft auf den Festkörperkolben (4) überträgt, und
wobei der Festkörperkolben (4) im Bereich des Linearmotors (2) von einem fest angeordneten Spaltrohr (6) umschlossen ist, so dass zwischen dem Festkörperkölben (4) und dem Spaltrohr (6) ein Zylinderinnenraum (7) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der mit dem Spaltrohr (6) verbundene Kompressionsraum über eine Leitung (11) oder einen Kanal mit der Fluideintrittsseite (12) verbunden ist, so dass der Druck in dem vom Spaltrohr (6) umgebenen Zylinderinnenraum (7) reduziert ist.
Fluidarbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei der Linearmotor (2) einen Stator und einen Läufer aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltrohr (6) in radialer Richtung zwischen dem Läufer und der Spule (9) des Stators angeordnet ist, so dass das Spaltrohr (6) den Läufer umschließt.
Fluidarbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei der Linearmotor (2) einen Stator und einen Läufer aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Läufer als auch die Spule (9) des Stators innerhalb des Spaltrohres (6) angeordnet sind, so dass das Spaltrohr (6) den Läufer und den Stator umschließt.
Fluidarbeitsmaschine nach Anspruche 2 oder 3, wobei der Läufer Magnete (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (10) des Läufers direkt auf dem Kolben (4) angeordnet sind.
Fluidarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung eines Gases mehrstufig erfolgt.
Fluidarbeitsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperkolben (4) mehrere Abschnitte (41, 42, 43, 44) mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist.
Fluidarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittelkreislauf (16) zur Kühlung des Linearmotors (2), insbesondere zur Kühlung der Spule (7) des Stators ausgebildet ist.
Fluidarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmetauscher (15) zur Rückkühlung des Fluids vorgesehen ist.
Fluidarbeitsmaschine nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung des Linearmotors (2) und zur Rückkühlung des Fluids dasselbe Kühlmittel oder das zu verdichtende Fluid verwendet wird.