EP2986851B1 - Verdichtungsmaschine mit einem zwischen zwei umkehrpunkten oszillierenden körper - Google Patents

Verdichtungsmaschine mit einem zwischen zwei umkehrpunkten oszillierenden körper Download PDF

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EP2986851B1
EP2986851B1 EP14714595.7A EP14714595A EP2986851B1 EP 2986851 B1 EP2986851 B1 EP 2986851B1 EP 14714595 A EP14714595 A EP 14714595A EP 2986851 B1 EP2986851 B1 EP 2986851B1
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EP
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oscillating
mass
fluid
maximum value
Prior art date
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Linde GmbH
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Linde GmbH
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Publication date
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    • F04B19/22—Other positive-displacement pumps of reciprocating-piston type
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Definitions

  • the invention relates to a compacting machine, a method of designing the same and a use of the same, in which an oscillating body oscillates between two reversal points, wherein the oscillating motion of the oscillating body alternately relaxes a fluid at least in part (corresponding to the amount of dead space volume) and compressing, wherein the oscillating body exerts a piston force on the fluid, wherein the fluid exerts a fluid force on the oscillating body and wherein a resulting compression force is defined as a difference of the fluid force and the piston force.
  • Gases have a comparatively very low density under standard conditions. In order to store a gas efficiently, it is necessary to increase the mass of the gas in the available storage space. Increasing the mass of a gas can be done according to the thermal equation of state of ideal gases for a constant volume by increasing the gas pressure or reducing the temperature of the gas. An effective storage of gases is usually realized with an increase of the gas pressure.
  • Hydrogen for example, is becoming more and more important as fuel for motor vehicles. Due to limited isolation options and resulting losses of hydrogen in the form of boil-off gas, hydrogen is usually stored in motor vehicles in high-pressure gas storage.
  • An increase of the gas pressure can be realized by different compression machines, for example by means of a reciprocating compressor. Due to the concept, these compaction machines have limits in the maximum deployable force. If the compacting machine is driven, for example, by means of an electric motor, for example a linear motor, the maximum power which can be supplied is limited by the maximum achievable driving force of the electric motor.
  • This resulting compaction force is defined as a difference of a piston force applied to the gas by the compacting machine and a gas force exerted by the gas on the compacting machine.
  • An increased resulting compaction force means high loads and requires high demands on the materials used in the compaction machine. If the maximum deployable force of the compacting machine is limited, it is of great importance to constructively keep the resulting compacting force as small as possible. The maximum deliverable force of the compacting machine therefore represents the limit of the gas force and thus also a delivery rate of the compacting machine.
  • Compressed fluid which has reached a desired density is discharged from the compacting machine and in the course of which new uncompacted fluid is supplied to the compacting machine.
  • An amount of the compressed fluid discharged from the compacting machine determines the capacity of the compacting machine.
  • a reduction in the resulting compression force at a constant gas pressure can be achieved by reducing an effective cross-sectional area of the reciprocating piston.
  • an oscillating body oscillates between two reversal points.
  • a fluid is compressed by the movement of the oscillating body in a first direction.
  • the fluid is relaxed by the movement of the oscillating body in a second direction opposite the first direction (proportionate, corresponding to the extent of the dead space volume).
  • the oscillating body exerts a piston force (consisting of inertia mass of the inertial mass and motor / drive force) on the fluid and the fluid exerts a fluid force on the oscillating body.
  • a resulting compaction force is defined as a difference in fluid force and piston force.
  • the oscillating body has a first mass, wherein a maximum value of the resulting compacting force when using the oscillating body having the first mass is smaller by a predetermined factor F than a maximum value of the resulting compacting force when using an oscillating reference body with a reference mass in a reference compacting machine same structure and using the same fluid.
  • the first mass is greater than the reference mass by a percentage dependent on the predetermined factor.
  • the maximum value of the resulting compaction force would be reduced by just this predetermined factor F when using the oscillating reference body by reducing an effective cross-sectional area of the oscillating reference body.
  • a maximum value of the resulting compaction force can not only be reduced by reducing the effective cross-sectional area of the oscillating body, but also that increasing the mass of the oscillating body results in a reduction of the maximum value of the resulting compaction force .
  • the invention is based on the finding that by increasing the mass of the oscillating body, the maximum value of the resulting compacting force is reduced by the same factor can be as by reducing the effective cross-sectional area of the oscillating body.
  • the oscillating body has a first mass.
  • the first mass is larger by a percentage than a reference mass.
  • the maximum value of the resulting compacting force that occurs when using the first mass oscillating body is less than a maximum value of the resulting compacting force by a predetermined factor F when using an oscillating reference body with the reference mass.
  • the use of the oscillating reference body with the reference mass takes place in a reference compacting machine, which has the same structure as the compacting machine according to the invention. Both in the compacting machine according to the invention and the reference compacting machine, the same fluid is used.
  • the percentage by which the first mass is greater than the reference mass is dependent on the predetermined factor.
  • the resulting compacting force would be reduced by precisely this predetermined factor F when using the oscillating reference body.
  • the maximum value of the resulting compaction force does not necessarily occur in the reversal point between the first and second stages, but can shift due to the superposition with the oscillating mass force (or general piston force) (cf. Fig. 2b ).
  • the maximum value of the resulting compacting force is reduced.
  • the increase in the mass of the oscillating body causes an increase in an inertial force of the oscillating body.
  • the reversal points, which represent dead centers in the oscillating motion of the oscillating body are thus more easily overcome.
  • the effect of the fluid on the oscillating body and thus the resulting compaction force are thus reduced.
  • increasing the mass of the oscillating body has the same effect Effect like a flywheel in a powered by an internal combustion engine motor vehicle.
  • the first mass is selected such that the maximum value of the resulting compacting force is purposefully reduced to a desired value.
  • the maximum value of the resulting compaction force of the reference compaction machine with the reference body can exceed specified specifications, a maximum permissible value or a maximum force value that can be provided by a drive. Consequently, this maximum value of the resulting compaction force of the reference compaction machine should be reduced by the predetermined factor F, so that the reference compaction machine satisfies the given specifications, etc.
  • the reference body is accordingly "exchanged" with the correspondingly selected first mass for the oscillating body, the first mass being larger by a certain percentage as a function of this predetermined factor.
  • a compacting machine according to the invention allows, compared to a reference compacting machine of the same construction, a higher maximum capacity and a higher maximum fluid pressure of the compressed fluid.
  • a compacting machine according to the invention which for example has a lower driving force or a lower mass force than a reference compacting machine, can nevertheless achieve the same fluid pressure of the compressed fluid and the same delivery rate as the reference compacting machine.
  • the oscillating body and the reference body have the same density.
  • the oscillating body accordingly has a larger volume than the reference body.
  • oscillating body and reference body may consist of different dense materials and thereby have the same and / or different volumes.
  • an oscillation frequency of the oscillating movement of the oscillating body is increased;
  • separate protection is expressly reserved.
  • a maximum value of the speed of the oscillating body is increased.
  • the maximum value of the resulting compacting force when using the oscillating body having the first (increased) mass and additionally the (increased) oscillation frequency is lower by a second predetermined factor than the maximum value of the resulting compacting force using the reference oscillating body and a reference frequency in the reference compacting machine.
  • the second predetermined factor is greater than the first predetermined factor
  • the oscillation frequency is greater than the reference frequency by a second percentage dependent on the second predetermined factor.
  • the oscillating body according to a particularly advantageous embodiment of the compacting machine according to the invention has a larger mass than the reference body and oscillates at a higher frequency than the reference body. The effect of the increased inertial force can thus be reinforced again.
  • the first mass may, analogously as described above, be greater than the reference body by the percentage dependent on the predetermined factor, whereby the maximum value of the resulting compaction force of the reference compacting machine is reduced by the predetermined factor.
  • the oscillation frequency can be increased in addition to the reference frequency. Vividly spoken can thus be made by replacing the reference body against the oscillating body coarse adjustment of the maximum value of the compression force and by increasing the reference frequency to the oscillation frequency, a fine adjustment can be performed until the maximum value of the compression force reaches a desired predetermined value.
  • first mass and the oscillation frequency are selected as a function of each other. If the maximum value of the compaction force of the reference compacting machine with the reference body is to be reduced by the predetermined second factor, both the first mass and the oscillation frequency are each increased by a percentage dependent on the second predetermined factor compared to the reference body or the reference frequency.
  • the maximum value of the resulting compacting force can be adapted more flexibly and with more flexibility to given specifications become.
  • the maximum value of the resulting compacting force using the oscillating body having the first mass and optionally the oscillation frequency is less than a maximum value of a driving force provided by a drive of the compacting machine.
  • the maximum value of the resulting compacting force can be reduced so that the maximum value of the resulting compacting force of the limited maximum achievable driving force of the drive of the compacting machine is sufficient.
  • the compression force which occurs due to the compression of the fluid is reduced so far by the invention that the drive of the compacting machine can provide or compensate for this occurring compression force.
  • the oscillating body is designed as a reciprocating piston and / or the compacting machine is designed as a reciprocating compressor.
  • the invention should not be limited to reciprocating compressors.
  • the invention is in principle applicable to any compacting machine, or in general for each device. in which a mass of an oscillating between two reversal points body is used to do work.
  • the invention is also suitable, for example, for a scroll compressor, in which two nested spirals execute counterrotating rotational movements.
  • the spirals can be offset, for example by means of eccentric in the rotational movements.
  • a body oscillating between two reversal points executes a linear oscillating movement. Through this linear movement, which is converted into the rotational movement of the spirals, a fluid is finally compressed and relaxed.
  • the invention is therefore also applicable, for example, to the oscillating bodies of eccentrics, which are operated in combination with a scroll compressor.
  • a maximum value of the resulting compaction force may be lower by a predetermined factor F than the corresponding value of the resulting compaction force of a reference compaction machine, which factor may preferably assume values between 0.2 to 0.9, the compaction force is consequently reduced to 20 to 90% of the reference compaction force. Values around 50 or between 70 and 80% are preferred.
  • the necessary increase of the mass relative to the reference mass is advantageously up to about 300%.
  • the first mass is greater than the reference mass by 50, 100, 150, 200, 250 or 300%.
  • Particularly preferred is a range between 100 and 200%.
  • the first factor stated above applies.
  • the oscillation frequency is chosen to be greater than the reference frequency by a second percentage.
  • values can again be specified, as indicated above for the first percentage. Particularly preferred are percentages of 50 to 150%.
  • the resulting compaction force can be reduced to about 70% of the initial value, alone can Doubling the oscillation frequency the compaction force can be reduced to only about 80% of the original value (see embodiments below).
  • the invention further relates to a method for designing a compacting machine, wherein according to the invention in the manner described, the mass of the oscillating body is increased in a defined manner by a percentage. As described in detail above, this percentage depends on the factor by which the maximum value of the resulting compaction force is to be lowered.
  • Embodiments of the method according to the invention will become apparent from the above description of the compacting machine according to the invention in an analogous manner. The same applies to the inventive use of this compacting machine.
  • FIG. 1a A preferred embodiment of a compacting machine according to the invention is in FIG. 1a shown schematically and designated 110.
  • the compacting machine is designed as a reciprocating compressor 110 in this example.
  • a linear motor 115 drives the reciprocating compressor 110.
  • the linear motor 115 can provide a maximum of one driving force F A. With this provided force F A , the linear motor 115 drives an oscillating body of the reciprocating compressor 110.
  • the oscillating body is designed as a reciprocating piston 111.
  • the reciprocating piston 111 has a first mass m 1 and an effective cross-sectional area A.
  • the force F A which exerts the linear motor 115 on the reciprocating piston 111
  • the reciprocating piston 111 is placed in an oscillating motion within a cylinder 113 and oscillates between two reversal points U 1 and U 2 , indicated by the double arrow 111 a.
  • a frequency at which this oscillating movement 111a of the reciprocating piston 111 occurs is predetermined by the linear motor 115.
  • the piston 111 moves from the second turning point U 2 to the first turning point U 1, thereby compressing a fluid 112.
  • the piston 111 moves from the first turning point U 1 to the second turning point U 2 and
  • the fluid 112 can flow into the cylinder via a feed line 114a and flow out of the cylinder via a discharge line 114b (proportionately, corresponding to the extent of the dead space volume).
  • the piston 111 exerts a piston force F M on the fluid 112 and the fluid exerts a fluid force F F on the piston 111.
  • a resulting compression force F * is formed as a difference between the piston force F M and the fluid force F F.
  • FIG. 1b a reference compacting machine is shown schematically and designated 120.
  • the reference compacting machine is also a reciprocating compressor.
  • This Referenzhubkolbenverêtr 120 has the same structure as the reciprocating compressor 110, except that the reciprocating piston 111 is replaced by a reference body in the form of a Referenzhubkolbens 121.
  • the reference stroke piston 121 has the same effective cross-sectional area (diameter 42 mm) and density as the reciprocating piston 111, however, the reference stroke piston 121 has a smaller volume and thus a reference mass m ref which is less than the first mass m 1 .
  • the reference stroke piston 121 is also offset by the linear motor 115 in an oscillating motion 121a between the two reversal points U 1 and U 2 , whereby the reference stroke piston 121 also alternately relaxes the fluid 112 (proportionally, according to the extent of the dead space volume) and compacted.
  • a maximum value of the resulting compression force F * of the reciprocating compressor 110 is less than a maximum value of the resulting compression force F * of the reference reciprocating compressor 120 by a predetermined factor F.
  • the first mass m 1 is by a percentage dependent on this factor F greater than the reference mass m ref .
  • FIG. 1c a second Referenzhubkolbenver Noticer 130 shown schematically, the second Referenzhubkolben 131 having an effective cross-sectional area A 2 (16mm diameter), wherein the effective cross-sectional area A 2 is less than the effective cross-sectional area A.
  • Analogous to the second Referenzhubkolben 131 has a second cylinder 133 of second reference reciprocating compressor 130 has a smaller cross section than the cylinder 113.
  • the second reference reciprocating compressor 130 is also driven by the linear motor 115 and compresses and expands (proportionately, according to the amount of dead space volume) the fluid 112 alternately by an oscillating movement 131a.
  • the maximum value of the resulting compression force F * of the second reference reciprocating compressor 130 is the same as the maximum value of the resulting compression force F * of the reciprocating compressor 110.
  • the associated maximum value of the resulting compression force F * of the reciprocating compressor 110 in this case is also the same as the maximum value of the resulting compression force F * of the second reference reciprocating compressor 130 and a second factor less than the maximum value of the resultant compression force F * of the reference reciprocating compressor 120.
  • the oscillation frequency f osz or the first mass m 1 are each greater by a percentage dependent on the second factor than the reference mass m ref or the reference frequency f ref .
  • FIG. 2 schematically two diagrams are shown, which can be detected in one embodiment of a compacting machine according to the invention.
  • a reciprocating compressor 110 will be described FIG. 1a assumed, wherein the first mass m 1 of the reciprocating piston 111 has a value of 50 kg.
  • the stroke that is, the distance of the two reversal points U 1 and U 2 , is 120 mm, the oscillation frequency of the oscillating movement 111 a is 10 Hz, a period of the oscillating movement 111 a is 100 ms.
  • the linear motor 115 can provide a maximum drive force of 13.8 kN.
  • FIG. 2a are the occurring fluid forces and the piston force of a reciprocating compressor according to FIG. 1a shown. On the ordinate, a force is plotted on the abscissa, the time t.
  • Curve 210 shows a first fluid force F F1 which exerts the fluid 112 on the piston 111 during the first stage.
  • Curve 220 shows a second fluid force F F2 that exerts the fluid 112 on the piston 111 during the second stage.
  • Curve 230 shows the piston force F M.
  • the reciprocating piston 111 is located at the reversal point U 1 and changes from the first to the second stage. At these times, the fluid 112 is maximally compressed.
  • the reciprocating piston 111 is in the reversal point U 2 and changes from the second to the first stage. At these times, the fluid 112 is maximally relaxed.
  • the dashed lines 211 and 221 show a profile of the first and second fluid force F F , and F F2 in the two reversal points U 1 and U 2 for a Referenzhubkolbenverêtr 120 with a Referenzhubkolben 121 with the reference mass m ref .
  • the maximum value of the first fluid force F F1 is reduced in this particular example in amount to the value 20.5 kN.
  • the maximum value of the second fluid force F F2 is reduced in magnitude to the value 12.1 kN.
  • the first mass m 1 vividly speaking, the same effect as a flywheel of an internal combustion engine and increases the inertial force of the reciprocating piston 111.
  • the extrema of the curve of the first and second fluid force F F1 and F F2 against the Referenzhubkolbenverêtr 121 " cut off ".
  • FIG. 2b is a diagram analogous to FIG. 2a shown.
  • the curve 240 shows the fluid force F F , which is the sum of the first and second fluid forces F F1 and F F2 .
  • Curve 250 shows the resulting compression force F *, which is the difference between fluid force F F and piston force F M.
  • the maximum values of the fluid force F F are also reduced accordingly.
  • the resulting has Compression force F * a maximum value of 7.5 kN in the first reversal point and is thus less than the maximum driving force of 13.8 kN.
  • Curve 250 there are several relative, in terms of magnitude, high values.
  • the original maximum is reduced, whereas another high value is increased in this example and becomes the "new" maximum in the compression process.
  • the linear relationship between increase in mass force and reduction of the original maximum compaction force is lost.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verdichtungsmaschine, ein Verfahren zur Auslegung der selbigen und eine Verwendung der selbigen, in der ein oszillierender Körper zwischen zwei Umkehrpunkten oszilliert, wobei durch die oszillierende Bewegung des oszillierenden Körpers ein Fluid zumindest zum Teil (dem Ausmaß des Totraumvolumens entsprechend) abwechselnd entspannt und verdichtet wird, wobei der oszillierende Körper eine Kolbenkraft auf das Fluid ausübt, wobei das Fluid eine Fluidkraft auf den oszillierenden Körper ausübt und wobei eine resultierende Verdichtungskraft als eine Differenz der Fluidkraft und der Kolbenkraft definiert ist.
  • Eine ähnliche Verdichtungsmaschine ist offenbart z.B. in DE-A-10 2009 049 988 .
    • Stand der Technik
  • Gase haben bei Normbedingungen eine vergleichsweise sehr geringe Dichte. Um ein Gas effizient speichern zu können, ist es notwendig, die Masse des Gases in dem zur Verfügung stehenden Speicherraum zu erhöhen. Eine Erhöhung der Masse eines Gases kann entsprechend der thermischen Zustandsgleichung idealer Gase für ein konstantes Volumen durch Erhöhung des Gasdrucks oder Reduktion der Temperatur des Gases erfolgen. Eine effektive Speicherung von Gasen wird zumeist mit einer Erhöhung des Gasdrucks realisiert.
  • Wasserstoff beispielsweise gewinnt immer mehr Bedeutung als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge. Aufgrund begrenzter Isoliermöglichkeiten und dadurch resultierender Verluste des Wasserstoffs in Form von Boil-Off-Gas wird Wasserstoff in Kraftfahrzeugen zumeist in Hochdruckgasspeichern gelagert.
  • Eine Erhöhung des Gasdrucks kann durch verschiedene Verdichtungsmaschinen realisiert werden, beispielsweise mittels eines Hubkolbenverdichters. Konzeptbedingt sind diesen Verdichtungsmaschinen Grenzen in der maximalen bereitstellbaren Kraft gegeben. Wird die Verdichtungsmaschine beispielsweise mittels eines elektrischen Motors, z.B. eines Linearmotors, angetrieben, so ist die maximale bereitstellbare Kraft durch die maximal erreichbare Antriebskraft des elektrischen Motors beschränkt.
  • Eine Erhöhung des Gasdrucks geht mit einer Erhöhung einer resultierenden Verdichtungskraft einher. Diese resultierende Verdichtungskraft ist als eine Differenz einer von der Verdichtungsmaschine auf das Gas ausgeübten Kolbenkraft und einer von dem Gas auf die Verdichtungsmaschine ausgeübten Gaskraft definiert.
  • Eine erhöhte resultierende Verdichtungskraft bedeutet hohe Belastungen und bedingt hohe Anforderungen an die eingesetzten Materialien in der Verdichtungsmaschine. Ist die maximale bereitstellbare Kraft der Verdichtungsmaschine begrenzt, ist es von großer Bedeutung die resultierende Verdichtungskraft konstruktiv möglichst gering zu halten. Die maximale bereitstellbare Kraft der Verdichtungsmaschine stellt daher die Grenze der Gaskraft und somit ferner auch eine Förderleistung der Verdichtungsmaschine dar.
  • Verdichtetes Fluid, das eine gewünschte Dichte erreicht hat, wird aus der Verdichtungsmaschine abgeleitet und im Zuge dessen wird neues unverdichtetes Fluid der Verdichtungsmaschine zugeführt. Eine Menge des verdichteten Fluids, das aus der Verdichtungsmaschine abgeleitet wird, bestimmt die Förderleistung der Verdichtungsmaschine.
  • Beispielsweise kann in einem Hubkolbenverdichter, bei einer vernachlässigbar geringen Reibungskraft, eine Verringerung der resultierenden Verdichtungskraft bei gleichbleibendem Gasdruck durch eine Verkleinerung einer wirksamen Querschnittsfläche des Hubkolbens erfolgen.
  • Eine Reduktion der wirksamen Querschnittsfläche des Hubkolbens geht dabei allerdings mit einer verminderten Förderleistung der Verdichtungsmaschine einher.
  • Es ist daher wünschenswert eine Verdichtungsmaschine bereitzustellen, mit der die resultierende Verdichtungskraft und somit die Belastungen und Anforderungen an die Verdichtungsmaschine verringert werden können, ohne dass dabei Verluste der Förderleistung hingenommen werden müssen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Verdichtungsmaschine, ein Verfahren und eine Verwendung einer solchen Verdichtungsmaschine gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. In der erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine oszilliert ein oszillierender Körper zwischen zwei Umkehrpunkten. In einer ersten Stufe wird ein Fluid durch die Bewegung des oszillierenden Körpers in eine erste Richtung verdichtet. In einer zweiten Stufe wird das Fluid durch die Bewegung des oszillierenden Körpers in eine zweite, der ersten Richtung entgegengesetzten, Richtung (anteilhaft, dem Ausmaß des Totraumvolumens entsprechend) entspannt. Der oszillierende Körper übt dabei eine Kolbenkraft (bestehend aus Massenkraft der trägen Masse und Motor-/Antriebskraft) auf das Fluid aus und das Fluid übt eine Fluidkraft auf den oszillierenden Körper aus. Eine resultierende Verdichtungskraft ist als eine Differenz der Fluidkraft und der Kolbenkraft definiert.
  • Der oszillierende Körper besitzt eine erste Masse, wobei ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft bei Verwendung des oszillierenden Körpers mit der ersten Masse um einen vorgegebenen Faktor F geringer ist, als ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft bei Verwendung eines oszillierenden Referenzkörpers mit einer Referenzmasse in einer Referenzverdichtungsmaschine gleichen Aufbaus und bei Verwendung desselben Fluids.
  • Die erste Masse ist um einen von dem vorgegebenen Faktor abhängigen Prozentsatz größer ist als die Referenzmasse. Der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft würde bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers mittels Reduktion einer wirksamen Querschnittsfläche des oszillierenden Referenzkörpers um eben diesen vorgegebenen Faktor F reduziert.
    • Vorteile der Erfindung
  • Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft nicht nur durch eine Reduzierung der wirksamen Querschnittsfläche des oszillierenden Körpers reduziert werden kann, sondern dass eine Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers ebenfalls eine Reduzierung des maximalen Werts der resultierenden Verdichtungskraft zur Folge hat. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft um einen gleichen Faktor verringert werden kann, wie durch die Reduzierung der wirksamen Querschnittsfläche des oszillierenden Körpers.
  • Erfindungsgemäß besitzt daher der oszillierende Körper eine erste Masse. Die erste Masse ist um einen Prozentsatz größer ist als eine Referenzmasse. Der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft, die bei Verwendung des oszillierenden Körpers mit der ersten Masse auftritt, ist um einen vorgegebenen Faktor F geringer als ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft bei Verwendung eines oszillierenden Referenzkörpers mit der Referenzmasse. Die Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers mit der Referenzmasse findet dabei in einer Referenzverdichtungsmaschine statt, welche den gleichen Aufbau besitzt wie die erfindungsgemäße Verdichtungsmaschine. Sowohl in der erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine als auch der Referenzverdichtungsmaschine wird dabei dasselbe Fluid verwendet. Der Prozentsatz, um welchen die erste Masse größer ist als die Referenzmasse, ist von dem vorgegebenen Faktor abhängig.
  • Würde die wirksame Querschnittsfläche des oszillierenden Referenzkörper in der Referenzverdichtungsmaschine reduziert, würde dadurch die resultierende Verdichtungskraft bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers um eben diesen vorgegebenen Faktor F reduziert.
  • Der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft tritt nicht zwingend in dem Umkehrpunkt zwischen der ersten und zweiten Stufe auf, sondern kann sich bedingt durch die Überlagerung mit der oszillierenden Massenkraft (oder allgemeiner Kolbenkraft) verschieben (vgl. Ausführungsbeispiel, Fig. 2b).
  • Durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers im Vergleich zu dem Referenzkörper wird der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft verringert. Die Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers bewirkt eine Erhöhung einer Trägheitskraft des oszillierenden Körpers. Die Umkehrpunkte, welche Totpunkte in der oszillierenden Bewegung des oszillierenden Körpers darstellen, werden somit leichter überwunden. Die Wirkung des Fluids auf den oszillierenden Körper und somit die resultierende Verdichtungskraft werden somit verringert. Anschaulich gesprochen besitzt die Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers denselben Effekt wie ein Schwungrad bei einem mit einem Verbrennungsmotor betriebenen Kraftfahrzeug.
  • Im Sinne der Erfindung wird die erste Masse derart gewählt, dass der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft gezielt auf einen gewünschten Wert reduziert wird. Beispielsweise kann der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft der Referenzverdichtungsmaschine mit dem Referenzkörper vorgegebene Spezifikationen, einen zulässigen Maximalwert oder einen von einem Antrieb bereitstellbaren maximalen Kraftwert überschreiten. Dieser maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft der Referenzverdichtungsmaschine soll folglich um den vorgegebenen Faktor F reduziert werden, damit die Referenzverdichtungsmaschine den vorgegeben Spezifikationen etc. genügt. Der Referenzkörper wird demgemäß gegen den oszillierenden Körper mit der entsprechend gewählten ersten Masse "ausgetauscht", wobei die erste Masse um einen gewissen Prozentsatz in Abhängigkeit von eben diesem vorgegebenen Faktor größer ist.
  • Durch die Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers im Vergleich zu dem Referenzkörper treten keine Verluste in der Förderleistung auf, im Gegensatz zu der Reduzierung der wirksamen Querschnittsfläche des oszillierenden Referenzkörpers. Durch die Erfindung können, ohne Verluste in der Förderleistung hinnehmen zu müssen, die resultierende Verdichtungskraft und somit die Belastungen und Anforderungen an die Verdichtungsmaschine im Vergleich zu der Referenzverdichtungsmaschine effektiv verringert werden. Somit kann die Standzeit erhöht werden und Wartungsintervalle können verlängert werden. Dabei sind keine komplexen, aufwendigen oder teuren Umbauten an der Referenzverdichtungsmaschine nötig. Der Aufbau der Referenzverdichtungsmaschine kann weiter genutzt werden. Es muss lediglich der oszillierende Referenzkörper gegen einen massereicheren oszillierenden Körper ausgetauscht werden, was keinen großen Kostenaufwand bedingt.
  • Eine erfindungsgemäße Verdichtungsmaschine erlaubt, im Vergleich zu einer Referenzverdichtungsmaschine gleichen Aufbaus, eine höhere maximale Förderleistung und einen höheren maximalen Fluiddruck des komprimierten Fluids. Eine erfindungsgemäße Verdichtungsmaschine, welche beispielsweise eine geringere Antriebskraft oder eine geringere Massenkraft besitzt als eine Referenzverdichtungsmaschine, kann dennoch den gleiche Fluiddruck des komprimierten Fluids und die gleiche Förderleistung erzielen wie die Referenzverdichtungsmaschine.
  • Der oszillierende Körper und der Referenzkörper weisen insbesondere die gleiche Dichte auf. Der oszillierende Körper besitzt demgemäß ein größeres Volumen als der Referenzkörper. Alternativ können oszillierender Körper und Referenzkörper aus unterschiedlich dichten Materialen bestehen und dabei dieselben und/oder unterschiedliche Volumina besitzen.
  • Vorteilhafterweise wird zusätzlich oder auch alternativ zu der Masse des oszillierenden Körpers eine Oszillationsfrequenz der oszillierenden Bewegung des oszillierenden Körpers erhöht; für diese alternative Ausgestaltung wird gesonderter Schutz ausdrücklich vorbehalten. Somit wird ein maximaler Wert der Geschwindigkeit des oszillierenden Körpers erhöht. Der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft bei Verwendung des oszillierenden Körpers mit der ersten (erhöhten) Masse und zusätzlich mit der (erhöhten) Oszillationsfrequenz ist um einen zweiten vorgegebenen Faktor geringer, als der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers mit der Referenzmasse und einer Referenzfrequenz in der Referenzverdichtungsmaschine. Der zweite vorgegebene Faktor ist dabei größer als der erste vorgegebene Faktor
  • Die Oszillationsfrequenz ist um einen von dem zweiten vorgegebenen Faktor abhängigen zweiten Prozentsatz größer als die Referenzfrequenz. Der oszillierende Körper gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine besitzt eine größere Masse als der Referenzkörper und oszilliert mit einer höheren Frequenz als der Referenzkörper. Der Effekt der erhöhten Trägheitskraft kann somit nochmals verstärkt werden.
  • Die erste Masse kann dabei, analog wie oben beschrieben, um den von dem vorgegebenen Faktor abhängigen Prozentsatz größer sein als der Referenzkörper, wodurch der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft der Referenzverdichtungsmaschine um den vorgegebenen Faktor reduziert wird. Um den maximalen Wert der resultierenden Verdichtungskraft der Referenzverdichtungsmaschine weiter zu reduzieren, insgesamt um den zweiten vorgegebenen Faktor, kann zusätzlich die Oszillationsfrequenz im Vergleich zur Referenzfrequenz erhöht werden. Anschaulich gesprochen kann somit durch den Austausch des Referenzkörpers gegen den oszillierenden Körper eine Grobeinstellung des maximalen Werts der Verdichtungskraft vorgenommen werden und durch die Erhöhung der Referenzfrequenz auf die Oszillationsfrequenz kann eine Feineinstellung durchgeführt werden, bis der maximalen Werts der Verdichtungskraft einen gewünschten vorgegebenen Wert erreicht.
  • Es ist auch denkbar, dass die erste Masse und die Oszillationsfrequenz in Abhängigkeit voneinander gewählt werden. Soll der maximale Wert der Verdichtungskraft der Referenzverdichtungsmaschine mit dem Referenzkörper um den vorgegeben zweiten Faktor reduziert werden, werden sowohl die erste Masse als auch die Oszillationsfrequenz jeweils um einen von dem zweiten vorgegebenen Faktor abhängigen Prozentsatz im Vergleich zu dem Referenzkörper bzw. der Referenzfrequenz erhöht.
  • Alternativ zu der bloßen Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers, kann gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung durch die geeignete Wahl sowohl der ersten Masse als auch der Oszillationsfrequenz, gegebenenfalls in Abhängigkeit voneinander, der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft flexibler und mit mehr Spielraum an vorgegebene Spezifikationen angepasst werden.
  • Vorzugsweise ist der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft bei Verwendung des oszillierenden Körpers mit der ersten Masse und gegebenenfalls mit der Oszillationsfrequenz geringer als ein maximaler Wert einer Antriebskraft, die von einem Antrieb der Verdichtungsmaschine bereitgestellt wird. Durch die Erhöhung der Masse des oszillierenden Körpers bzw. durch zusätzliche Erhöhung der Frequenz des oszillierenden Körpers kann der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft so weit verringert werden, dass der maximale Wert der resultierende Verdichtungskraft der begrenzten maximal erreichbaren Antriebskraft des Antriebs der Verdichtungsmaschine genügt. Die durch die Verdichtung des Fluids auftretende Verdichtungskraft wird durch die Erfindung so weit reduziert, dass der Antrieb der Verdichtungsmaschine diese auftretende Verdichtungskraft bereitstellen bzw. kompensieren kann.
  • Bevorzugt ist der oszillierende Körper als ein Hubkolben ausgebildet ist und/oder die Verdichtungsmaschine als ein Hubkolbenverdichter ausgebildet. Die Erfindung soll allerdings nicht auf Hubkolbenverdichter beschränkt sein. Die Erfindung ist grundsätzlich für jede Verdichtungsmaschine, bzw. im Allgemeinen für jede Vorrichtung, anwendbar, in denen sich eine Masse eines zwischen zwei Umkehrpunkten oszillierenden Körpers genutzt wird, um Arbeit zu verrichten.
  • Die Erfindung ist beispielsweise auch für einen Scrollverdichter geeignet, in dem zwei ineinander verschachtelte Spiralen gegenläufige rotatorische Bewegungen ausführen. Die Spiralen können beispielsweise mittels Exzenter in die rotatorischen Bewegungen versetzt werden. In den Exzentern führt jeweils ein zwischen zwei Umkehrpunkten oszillierender Körper eine lineare oszillierende Bewegung aus. Durch diese lineare Bewegung, die in die rotatorische Bewegung der Spiralen umgewandelt wird, wird letztendlich ein Fluid verdichtet und entspannt. Die Erfindung ist also beispielsweise auch auf die oszillierenden Körper von Exzentern, die in Kombination mit einem Scrollverdichter betrieben werden, anwendbar.
  • In der Praxis kann angestrebt werden, dass ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft um einen vorgegebenen Faktor F geringer ist als der entsprechende Wert der resultierenden Verdichtungskraft einer Referenzverdichtungsmaschine, wobei dieser Faktor vorzugsweise Werte zwischen 0,2 bis 0,9 annehmen kann, wobei die Verdichtungskraft dann folglich auf 20 bis 90 % der Referenzverdichtungskraft reduziert wird. Bevorzugt sind Werte um 50 oder zwischen 70 und 80 %.
  • Die hierzu notwendige Erhöhung der Masse bezogen auf die Referenzmasse beträgt vorteilhafterweise bis etwa 300 %. Insbesondere ist die erste Masse um 50, 100, 150, 200, 250 oder 300 % größer als die Referenzmasse. Besonders bevorzugt ist ein Bereich zwischen 100 und 200 %.
  • Für den zweiten Faktor gilt das oben für den ersten Faktor ausgesagte. Durch Erhöhung der Oszillationsfrequenz wird die bereits erzielte Verringerung der Verdichtungskraft um den ersten Faktor nochmals weiter verringert um besagten zweiten Faktor. Hierzu wird die Oszillationsfrequenz um einen zweiten Prozentsatz größer als die Referenzfrequenz gewählt. Für diesen zweiten Prozentsatz können wiederrum Werte angegeben werden, wie sie oben für den ersten Prozentsatz angegeben wurden. Besonders bevorzugt sind Prozentsätze von 50 bis 150 %.
  • Während beispielsweise durch Verdoppelung der Masse die resultierende Verdichtungskraft auf etwa 70 % des Ausgangswertes gesenkt werden kann, kann allein durch Verdoppelung der Oszillationsfrequenz die Verdichtungskraft nur auf etwa 80 % des ursprünglichen Wertes gesenkt werden (vgl. Ausführungsbeispiele unten).
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Auslegung einer Verdichtungsmaschine, wobei erfindungsgemäß in der beschriebenen Weise die Masse des oszillierenden Körpers in definierter Weise um einen Prozentsatz erhöht wird. Dieser Prozentsatz hängt - wie oben ausführlich beschrieben - von dem Faktor ab, um den der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft gesenkt werden soll. Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der obigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine in analoger Art und Weise. Gleiches gilt für die erfindungsgemäße Verwendung dieser Verdichtungsmaschine.
  • Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt
    • Figur 1
    schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine (Figur 1a), sowie zwei Referenzverdichtungsmaschinen (Figur 1b, 1c) und
    Figur 2
    schematisch Kraftdiagramme aufgetragen gegen die Zeit, die mit dieser Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine erzielt werden können.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine ist in Figur 1a schematisch dargestellt und mit 110 bezeichnet. Die Verdichtungsmaschine ist in diesem Beispiel als ein Hubkolbenverdichter 110 ausgebildet.
  • Ein Linearmotor 115 treibt den Hubkolbenverdichter 110 an. Der Linearmotor 115 kann dabei maximal eine Antriebskraft FA bereitstellen. Mit dieser bereitgestellten Kraft FA treibt der Linearmotor 115 einen oszillierenden Körper des Hubkolbenverdichters 110 an. Der oszillierende Körper ist als ein Hubkolben 111 ausgebildet. Der Hubkolben 111 besitzt dabei eine erste Masse m1 und eine wirksame Querschnittsfläche A. Durch die Kraft FA, die der Linearmotor 115 auf den Hubkolben 111 ausübt, wird der Hubkolben 111 in eine oszillierende Bewegung innerhalb eines Zylinders 113 versetzt und oszilliert zwischen zwei Umkehrpunkten U1 und U2, angedeutet durch den Doppelpfeil 111a. Eine Frequenz, mit der diese oszillierende Bewegung 111a des Hubkolbens 111 erfolgt, wird von dem Linearmotor 115 vorgegeben.
  • In einer ersten Stufe bewegt sich der Kolben 111 von dem zweiten Umkehrpunkt U2 zu dem ersten Umkehrpunkt U1 und verdichtet dabei ein Fluid 112. In einer zweiten Stufe bewegt sich der Kolben 111 von dem ersten Umkehrpunkt U1 zu dem zweiten Umkehrpunkt U2 und entspannt (anteilhaft, dem Ausmaß des Totraumvolumens entsprechend) dabei das Fluid 112. Das Fluid 112 kann über eine Zuleitung 114a in den Zylinder einströmen und über eine Ableitung 114b aus dem Zylinder abfließen. Während der oszillierenden Bewegung 111a übt der Kolben 111 eine Kolbenkraft FM auf das Fluid 112 aus und das Fluid übt eine Fluidkraft FF auf den Kolben 111 aus. Eine resultierende Verdichtungskraft F* ist als Differenz aus der Kolbenkraft FM und der Fluidkraft FF ausgebildet.
  • Da je nach Stufe der oszillierenden Bewegung 111 a des Hubkolbens die auftretenden Kräfte jeweils ihre Richtung ändern, sind die Kräfte in Figur 1 jeweils mittels eines Doppelpfeils dargestellt.
  • In Figur 1b ist eine Referenzverdichtungsmaschine schematisch dargestellt und mit 120 bezeichnet. Die Referenzverdichtungsmaschine ist ebenfalls ein Hubkolbenverdichter. Dieser Referenzhubkolbenverdichter 120 besitzt denselben Aufbau wie der Hubkolbenverdichter 110, nur dass der Hubkolben 111 gegen einen Referenzkörper in Form eines Referenzhubkolbens 121 ausgetauscht ist. Der Referenzhubkolben 121 besitzt dieselbe wirksame Querschnittsfläche (Durchmesser 42mm) und Dichte wie der Hubkolben 111, allerdings besitzt der Referenzhubkolben 121 ein geringeres Volumen und somit eine Referenzmasse mref, die geringer ist als die erste Masse m1. Der Referenzhubkolben 121 wird ebenfalls von dem Linearmotor 115 in eine oszillierende Bewegung 121a zwischen den beiden Umkehrpunkten U1 und U2 versetzt, wodurch der Referenzhubkolben 121 ebenfalls das Fluid 112 abwechselnd entspannt (anteilhaft, dem Ausmaß des Totraumvolumens entsprechend) und verdichtet.
  • Durch die im Vergleich zu der Referenzmasse mref größere erste Masse m1, ist ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft F* des Hubkolbenverdichters 110 um einen vorgegebenen Faktor F geringer als ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft F* des Referenzhubkolbenverdichters 120. Die erste Masse m1 ist um einen von diesem Faktor F abhängigen Prozentsatz größer als die Referenzmasse mref.
  • Diese Reduzierung des maximalen Werts der resultierenden Verdichtungskraft F* um den Faktor F würde ebenfalls erreicht werden, wenn die wirksame Querschnittsfläche A des Referenzhubkolbens 121 verringert würde. Demgemäß ist in Figur 1c ein zweiter Referenzhubkolbenverdichter 130 schematisch dargestellt, der einen zweiten Referenzhubkolben 131 mit einer wirksamen Querschnittsfläche A2 (Durchmesser 16mm) besitzt, wobei die wirksame Querschnittsfläche A2 geringer ist als die wirksame Querschnittsfläche A. Analog zu dem zweiten Referenzhubkolben 131 besitzt ein zweiter Zylinder 133 des zweiten Referenzhubkolbenverdichters 130 einen geringeren Querschnitt als der Zylinder 113. Der zweite Referenzhubkolbenverdichter 130 wird ebenfalls von dem Linearmotor 115 angetrieben und verdichtet und entspannt (anteilhaft, dem Ausmaß des Totraumvolumens entsprechend) das Fluid 112 abwechselnd durch eine oszillierende Bewegung 131a. Der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft F* des zweiten Referenzhubkolbenverdichters 130 ist dabei derselbe wie der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft F* des Hubkolbenverdichters 110.
  • Konkrete Beispiele für den in diesem Ausführungsbeispiel (vgl. Fig. 2) berechneten und ausgelegten Verdichter: Referenzverdichter: mref=16 kg, f=10 Hz = fosz= fref" IF*1max@10 Hz |= 12,33 kN, Masse verdoppelt m1=2 x mref, IF*2max@10 Hz |=8,9 kN; Masse zweieinhalbfach: m1=2,5 x mref, IF*max@10 Hz|=7,35 kN.
  • Notiz: Kein linearer Zusammenhang zwischen Erhöhung der Masse und Reduktion von F*. Erhöhung der Masse muss immer spezifisch für das Gesamtsystem erfolgen, Pauschalaussage für jedes System ist daher nicht möglich. Grundsätzlich soll gesagt sein, dass eine Erhöhung bis zu jenem Grad sinnvoll ist, an dem der jeweilige betragsmäßige Maximalwert der oszillierende Kolbenkraft, aufgetragen über die/den Zeit/Winkel, kleiner oder gleich dem betragsmäßigen Maximalwert der resultierende Verdichtungskraft, wiederum aufgetragen über die/den Zeit/Winkel, des Referenzverdichters ist (Kräfteaddition würde darüber hinaus keinen Vorteil bewirken).
  • Bisher wurde nur der Fall betrachtet, dass alle Bewegungen 111a, 121a und 131a mit derselben Frequenz stattfinden. Nun soll der Fall betrachtet werden, dass die oszillierenden Bewegungen 121a bzw. 131a des Referenzhubkolbens 121 bzw. des zweiten Referenzhubkolbens 131 jeweils mit einer Referenzfrequenz fref stattfinden. Die oszillierende Bewegung 111a des Hubkolbens 111 erfolgt hingegen mit einer Oszillationsfrequenz fosz, wobei die Referenzfrequenz fref geringer ist als die Oszillationsfrequenz fosz. Der zugehörige maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft F* des Hubkolbenverdichters 110 ist in diesem Fall ebenfalls derselbe wie der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft F* des zweiten Referenzhubkolbenverdichters 130 und um einen zweiten Faktor geringer als der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft F* des Referenzhubkolbenverdichters 120. Die Oszillationsfrequenz fosz bzw. die erste Masse m1 sind dabei jeweils um einen von dem zweiten Faktor abhängigen Prozentsatz größer als die Referenzmasse mref bzw. die Referenzfrequenz fref.
  • Konkrete Beispiele für den in diesem Ausführungsbeispiel (vgl. Fig. 2) berechneten und ausgelegten Verdichter: Referenzverdichter: mref=16 kg, f.osz.1=5 Hz = fref, IF*1max@5 Hz |=14,93 kN, Frequenz x 1,5, fosz=7,5 Hz, IF*2max@7,5 Hz |=13,84 kN; Frequenz verdoppelt: fosz=10Hz, IF*3max@10 Hz |=12,33 kN.
  • Notiz: Kein linearer Zusammenhang zwischen Erhöhung der Frequenz und Reduktion von F.res Erhöhung der Frequenz muss immer spezifisch für das Gesamtsystem erfolgen, Pauschalaussage für jedes System ist daher nicht möglich. Grundsätzlich soll gesagt sein, dass eine Erhöhung bis zu jenem Grad sinnvoll ist, an dem der jeweilige betragsmäßige Maximalwert der oszillierende Kolbenkraft, aufgetragen über die/den Zeit/Winkel, kleiner oder gleich dem betragsmäßigen Maximalwert der resultierende Verdichtungskraft, wiederum aufgetragen über die/den Zeit/Winkel, des Referenzverdichters ist; eine Kräfteaddition würde darüber hinaus keinen Vorteil bewirken.
  • In Figur 2 sind schematisch zwei Diagramme dargestellt, die in einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdichtungsmaschine erfasst werden können. Für dieses spezielle Beispiel wird ein Hubkolbenverdichter 110 gemäß Figur 1a angenommen, wobei die erste Masse m1 des Hubkolbens 111 einen Wert von 50 kg besitzt. Der Hub, sprich der Abstand der beiden Umkehrpunkte U1 und U2, beträgt 120 mm, die Oszillationsfrequenz der oszillierenden Bewegung 111a beträgt 10 Hz, eine Periode der oszillierenden Bewegung 111 a beträgt 100 ms. Der Linearmotor 115 kann eine maximale Antriebskraft von 13,8 kN bereitstellen.
  • In Figur 2a sind die auftretenden Fluidkräfte sowie die Kolbenkraft eines Hubkolbenverdichters gemäß Figur 1a dargestellt. Auf der Ordinate ist dabei eine Kraft aufgetragen, auf der Abszisse die Zeit t.
  • Kurve 210 zeigt dabei eine erste Fluidkraft FF1, die das Fluid 112 während der ersten Stufe auf den Kolben 111 ausübt. Kurve 220 zeigt eine zweite Fluidkraft FF2, die das Fluid 112 während der zweiten Stufe auf den Kolben 111 ausübt. Kurve 230 zeigt die Kolbenkraft FM. Zu den Zeitpunkten t1 und t3 befindet sich der Hubkolben 111 in dem Umkehrpunkt U1 und wechselt von der ersten in die zweite Stufe. Zu diesen Zeitpunkten wird das Fluid 112 maximal verdichtet. Zu den Zeitpunkten t0, t2 und t4 befindet sich der Hubkolben 111 in dem Umkehrpunkt U2 und wechselt von der zweiten in die erste Stufe. Zu diesen Zeitpunkten wird das Fluid 112 maximal entspannt.
  • Durch die erfindungsgemäße Erhöhung der ersten Masse m1 gegenüber der Referenzmasse mref können die betragsmäßig maximalen Werte der ersten und zweiten Fluidkraft FF1 und FF2, die in den beiden Umkehrpunkten U1 und U2 auftreten, reduziert werden. Die gestrichelten Linien 211 bzw. 221 zeigen einen Verlauf der ersten bzw. zweiten Fluidkraft FF, bzw. FF2 in den beiden Umkehrpunkten U1 und U2 für einen Referenzhubkolbenverdichter 120 mit einem Referenzhubkolben 121 mit der Referenzmasse mref. Der maximale Wert der ersten Fluidkraft FF1 wird dabei in diesem speziellen Beispiel betragsmäßig auf den Wert 20,5 kN reduziert. Der maximale Wert der zweiten Fluidkraft FF2 wird betragsmäßig auf den Wert 12,1 kN reduziert. Wie bereits erläutert besitzt die erfindungsgemäße Erhöhung der ersten Masse m1 anschaulich gesprochen denselben Effekt wie ein Schwungrad eines Verbrennungsmotors und erhöht die Trägheitskraft des Hubkolbens 111. Somit werden die Extrema des Verlaufs der ersten und zweiten Fluidkraft FF1 und FF2 gegenüber dem Referenzhubkolbenverdichter 121 "abgeschnitten".
  • In Figur 2b ist ein Diagramm analog zu Figur 2a dargestellt. Die Kurve 240 zeigt dabei die Fluidkraft FF, welche die Summe der ersten und zweiten Fluidkraft FF1 und FF2 ist. Kurve 250 zeigt die resultierende Verdichtungskraft F*, welche die Differenz aus Fluidkraft FF und Kolbenkraft FM ist. Durch die Reduzierung der betragsmäßig maximalen Werte der ersten und zweiten Fluidkraft FF1 und FF2 werden demgemäß auch die maximalen Werte der Fluidkraft FF reduziert. In diesem Beispiel besitzt die resultierende Verdichtungskraft F* einen maximalen Wert von 7,5 kN in dem ersten Umkehrpunkt und ist somit geringer als die maximale Antriebskraft von 13,8 kN.
  • Es sei angemerkt, dass sich die Amplitude und somit der maximale Wert der Massekraft und somit der Kolbenkraft FM erhöht, wenn der Hubkolbenverdichter 110 und Referenzhubkolbenverdichter 120 von demselben Linearmotor 115 mit derselben maximal bereitstellbaren Antriebskraft FA bei derselben Frequenz betrieben werden, da mit derselben Antriebskraft FA eine größere Masse in Bewegung gebracht werden muss. Die erfindungsgemäße Verringerung des maximalen Werts der resultierenden Verdichtungskraft F* durch die Erhöhung der ersten Masse m1 ist dabei weder zwingend grö-ßer noch geringer als die dadurch bedingte Erhöhung des maximalen Werts der Massekraft FM.
  • Wie nämlich beispielsweise in Figur 2b, Kurve 250 zu sehen ist, gibt es mehrere verhältnismäßig, auf den Betrag bezogen, hohe Werte. Durch die Erhöhung der Massenkraft wird das ursprüngliche Maximum reduziert, ein anderer betragsmäßig hoher Wert hingegen wird in diesem Beispiel erhöht und zum "neuen" Maximum im Verdichtungsprozess. Dadurch verliert sich der lineare Bezug zwischen Massenkrafterhöhung und Reduktion der ursprünglichen maximalen Verdichtungskraft.
    • Bezugszeichenliste
    • 110
    Verdichtungsmaschine, Hubkolbenverdichter
    111
    oszillierender Körper, Hubkolben
    111a
    oszillierende Bewegung
    112
    Fluid
    113
    Zylinder
    114a
    Zuleitung
    114b
    Ableitung
    115
    Linearmotor
    120
    Referenzverdichtungsmaschine, Referenzhubkolbenverdichter
    121
    Referenzkörper, Referenzhubkolben
    121a
    oszillierende Bewegung
    130
    Referenzverdichtungsmaschine, Referenzhubkolbenverdichter
    131
    Referenzkörper, Referenzhubkolben
    131a
    oszillierende Bewegung
    133
    Zylinder
    210, 220, 230, 240, 250
    Kraftdiagramme
    211, 221
    Fluidkraftverlauf eines Referenzhubkolbenverdichters
    A, A2
    wirksame Querschnittsfläche
    U1, U2
    Umkehrpunkte
    FM
    Kolbenkraft
    FF
    Fluidkraft
    F*
    resultierende Verdichtungskraft
    FA
    Antriebskraft
    m1
    erste Masse
    mref
    Referenzmasse
    F
    Faktor
    fref
    Referenzfrequenz
    fosz
    Oszillationsfrequenz

Claims (10)

  1. Verdichtungsmaschine (110), in der ein oszillierender Körper (111) zwischen zwei Umkehrpunkten (U1, U2) oszilliert,
    - wobei durch die oszillierende Bewegung (111a) des oszillierenden Körpers (111) ein Fluid (112) zumindest zum Teil abwechselnd entspannt und verdichtet wird,
    - wobei der oszillierende Körper (111) eine Kolbenkraft (FM) auf das Fluid (112) ausübt,
    - wobei das Fluid (112) eine Fluidkraft (FF) auf den oszillierenden Körper (111) ausübt und
    - wobei eine resultierende Verdichtungskraft (F*) als eine Differenz der Fluidkraft (FF) und der Kolbenkraft (FM) definiert ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der oszillierende Körper (111) eine erste Masse (m1) besitzt,
    - wobei ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Körpers (111) mit der ersten Masse (m1) um einen vorgegebenen Faktor (F) geringer ist als ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung eines oszillierenden Referenzkörpers (121) mit einer Referenzmasse (mref) in einer Referenzverdichtungsmaschine (120) gleichen Aufbaus und bei Verwendung desselben Fluids (112),
    - wobei die erste Masse (m1) um einen von dem vorgegebenen Faktor abhängigen Prozentsatz größer ist als die Referenzmasse (mref),
    - wobei der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers (121) mittels Reduktion einer wirksamen Querschnittsfläche (A) des oszillierenden Referenzkörpers (121) um eben diesen vorgegebenen Faktor (F) reduziert würde.
  2. Verdichtungsmaschine (110) nach Anspruch 1, wobei
    - der oszillierende Körper (111) zwischen den zwei Umkehrpunkten (U1, U2) mit einer Oszillationsfrequenz oszilliert,
    - wobei der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Körpers (111) mit der ersten Masse (m1) und mit der Oszillationsfrequenz um einen zweiten vorgegebenen Faktor geringer ist als der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers (121) mit der Referenzmasse (mref) und einer Referenzfrequenz in der Referenzverdichtungsmaschine (120) gleichen Aufbaus und bei Verwendung desselben Fluids (112),
    - wobei die Oszillationsfrequenz um einen von dem vorgegebenen zweiten Faktor abhängigen zweiten Prozentsatz größer ist als die Referenzfrequenz,
    - wobei der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers (121) und der Referenzfrequenz mittels Reduktion einer wirksamen Querschnittsfläche (A) des oszillierenden Referenzkörpers (121) um eben diesen vorgegebenen zweiten Faktor reduziert würde.
  3. Verdichtungsmaschine (110) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Körpers (111) mit der ersten Masse (m1) geringer ist als ein maximaler Wert einer Antriebskraft (FA), die von einem Antrieb (115) der Verdichtungsmaschine (110) bereitgestellt wird.
  4. Verdichtungsmaschine (110) nach Anspruch 3, wobei der Antrieb (115) der Verdichtungsmaschine als ein Linearmotor ausgebildet ist.
  5. Verdichtungsmaschine (110) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der oszillierende Körper (111) als ein Hubkolben ausgebildet ist und/oder wobei die Verdichtungsmaschine (110) als ein Hubkolbenverdichter ausgebildet ist.
  6. Verdichtungsmaschine (110) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Faktor (F) zwischen 0,2 bis 0,9 beträgt.
  7. Verdichtungsmaschine (110) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Prozentsatz Werte von über 0 % bis 300 %, insbesondere 50 %, 100 %, 150 %, 200 %, 250 % oder 300 %, aufweist.
  8. Verdichtungsmaschine (110) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene zweite Faktor Werte zwischen 0,2 bis 0,9 und der zweite Prozentsatz Werte von über 0 % bis 300 %, insbesondere 50 %, 100 %, 150 %, 200 %, 250 % oder 300 %, aufweist.
  9. Verfahren zur Auslegung einer Verdichtungsmaschine (110), in der ein oszillierender Körper (111) zwischen zwei Umkehrpunkten (U1, U2) oszilliert,
    - wobei durch die oszillierende Bewegung (111a) des oszillierenden Körpers (111) ein Fluid (112) zumindest zum Teil abwechselnd entspannt und verdichtet wird,
    - wobei der oszillierende Körper (111) eine Kolbenkraft (FM) auf das Fluid (112) ausübt,
    - wobei das Fluid (112) eine Fluidkraft (FF) auf den oszillierenden Körper (111) ausübt und
    - wobei eine resultierende Verdichtungskraft (F*) als eine Differenz der Fluidkraft (FF) und der Kolbenkraft (FM) definiert ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - eine erste Masse (m1) des oszillierenden Körpers (111) derart gewählt wird, dass ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Körpers (111) mit der ersten Masse (m1) um einen vorgegebenen Faktor (F) geringer ist als ein maximaler Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung eines oszillierenden Referenzkörpers (121) mit einer Referenzmasse (mref) in einer Referenzverdichtungsmaschine (120) gleichen Aufbaus und bei Verwendung desselben Fluids (112),
    - wobei die erste Masse (m1) um einen von dem vorgegebenen Faktor abhängigen Prozentsatz größer ist als die Referenzmasse (mref),
    - wobei der maximale Wert der resultierenden Verdichtungskraft (F*) bei Verwendung des oszillierenden Referenzkörpers (121) mittels Reduktion einer wirksamen Querschnittsfläche (A) des oszillierenden Referenzkörpers (121) um eben diesen vorgegebenen Faktor (F) reduziert würde.
  10. Verwendung einer Verdichtungsmaschine (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eines Verfahrens gemäß Anspruch 9 zur Verringerung der resultierenden Verdichtungskraft (F*).
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