EP3071832A1 - Kolbenverdichter und verfahren zum verdichten eines tiefkalten, gasförmigen mediums, insbesondere wasserstoff - Google Patents

Kolbenverdichter und verfahren zum verdichten eines tiefkalten, gasförmigen mediums, insbesondere wasserstoff

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EP3071832A1
EP3071832A1 EP14799102.0A EP14799102A EP3071832A1 EP 3071832 A1 EP3071832 A1 EP 3071832A1 EP 14799102 A EP14799102 A EP 14799102A EP 3071832 A1 EP3071832 A1 EP 3071832A1
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EP
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piston
cylinder
medium
interior
rotor
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Withdrawn
Application number
EP14799102.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Adler
Christoph Nagl
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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    • F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections
    • F04B53/143—Sealing provided on the piston

Definitions

  • the invention relates to a piston compressor according to claim 1 and a method for compressing a fluid, in particular gaseous, in particular cryogenic medium, in particular in the form of hydrogen, according to claim 8.
  • a cryogenic, fluid medium is to be understood in particular to mean a fluid medium which has a temperature in the range from 0 K to 130 K.
  • a fluid medium is a gaseous or liquid medium or a phase mixture of a gaseous and a liquid phase.
  • the piston compressor according to the invention can, however, also be operated with higher inlet temperatures of, in particular, up to 320 K, that is to say in a range from 0 K to 320 K.
  • Gases have a comparatively very low density under standard conditions compared with other energy sources. In order to store a gas efficiently, it is necessary to increase the mass of the gas in the available storage space. An effective storage of gases is usually realized with an increase of the gas pressure.
  • compressor systems such as reciprocating compressors, ionic compressors, screw compressors or membrane compressors.
  • methods for conveying and compressing liquid, cryogenic media are known, which are usually realized by piston compressor systems.
  • Generic methods and devices are used, for example, in natural gas and hydrogen compressor stations, as they are implemented in gas filling stations.
  • a fluid motor driven by a linear motor in which, for example, the stator in the linear motor and the rotor are separated by a split tube and static seals.
  • the aforementioned compressors usually operate with gas inlet temperatures in the range of the ambient temperature of their place of use. In liquefied gas compressor systems, it is therefore necessary to convert the liquid to its gaseous state. The adjustment of the gas inlet temperature in the compressor via evaporator systems. The necessary for the increase in temperature of the medium energy in the evaporator systems, for example, via heat extraction from the environment or by electrical Anußvorraum. On the other hand, high-performance cryopumps must be supplied with liquid. The necessary for supply liquid tanks are due to the limited
  • a dead-space compressor e.g., ionic compressor
  • the object of the present invention is an improved reciprocating compressor and a corresponding method for compacting a fluid (eg gaseous), and in particular cryogenic medium, in particular hydrogen, indicate.
  • a fluid eg gaseous
  • cryogenic medium in particular hydrogen
  • the piston compressor according to the invention for compressing a particular cryogenic, fluid medium, in particular in the form of
  • a linear motor having a stator and a rotor having permanent magnets, wherein the stator is designed in a known manner to generate a magnetic field for driving the rotor to the rotor along a longitudinal axis along which the rotor extends, to move back and forth relative to the stator.
  • the reciprocating compressor has a housing of the
  • a linear motor defining an inner space in which the rotor and the stator are arranged, and a first cylinder of the reciprocating compressor connected to the housing, which defines a first cylinder interior, of which
  • the reciprocating compressor has a first piston, which extends into the first cylinder interior and extends along the longitudinal axis, which is connected to the rotor, so that the first piston is entrained by the rotor and moved back and forth along the longitudinal axis, the first piston being designed for this purpose is to compress located in the first cylinder interior medium when the first piston moves in the direction of the first cylinder head.
  • Circumferential first gap between the first piston and an inner side of the first cylinder facing the first piston is sealed with at least one seal provided on the first piston such that only a portion of the medium, referred to herein as leakage medium, from the first cylinder interior through that first gap in the interior of the housing can pass and flows around the rotor and in particular also the stator, wherein the permanent magnets of the rotor for protection against that leakage medium, in particular for protection against a Hydrogenation and further embrittlement in a medium in the form of hydrogen, are provided with a coating.
  • the at least one seal provided on the first piston is therefore intended to seal off the first cylinder interior, but as a rule a certain leakage past the seal can not be prevented.
  • the piston compressor according to the invention or the method explained below is designed or designed to compress a fluid medium.
  • the medium can therefore be purely gaseous or present as a mixture of a gaseous and a liquid phase.
  • the medium may also be present as a liquid.
  • Piston compressor is provided that said permanent magnets a
  • Neodymium-iron-boron alloy or are made of this material.
  • suitable materials for the permanent magnets according to the invention are ferrites and their compounds with zinc and / or nickel and with manganese, as well as strontium ferrites, cobalt ferrites, barium ferrites, and furthermore alloys of samarium cobalt and aluminum-nickel-cobalt.
  • Piston compressor is provided that the coating of the permanent magnets is given by a nickel-copper-nickel coating. That is, the
  • Carmine magmas are coated with a layer of nickel, followed by a layer of copper, followed by an (especially outermost) layer of nickel.
  • NiCuNi coatings according to the invention may e.g. be prepared galvanically. Furthermore, a coating of the permanent magnets to protect the
  • Permanent magnets also have one of the following substances or compounds: aluminum oxide, tungsten, molybdenum, gold, platinum, chromium, cadmium, tin, aluminum, silicates of tungsten and molybdenum, or nickel-aluminum compounds.
  • the coating can also be an oxidation layer of the base material of the permanent magnets, which in particular before
  • Such an oxide layer may e.g. be generated by the unprotected flushing and residence of the permanent magnets in atmospheric oxygen, or preferably by pressurizing the permanent magnets in (in particular high purity) oxygen.
  • a total layer thickness of the respective coating normal to the surface area of the coating or normal to the individual layers is preferably in the range between 3 ⁇ to 500 ⁇ .
  • the interior of the housing via a first leakage return line is in fluid communication with a supply line to the inlet on the first cylinder head, so that the interior of the housing with a pressure
  • the piston compressor has a second cylinder connected to the housing. With such a second cylinder, a two-stage compression of the medium to be compressed can be carried out.
  • the second cylinder has a second cylinder interior, which from that interior of the
  • Housing of the linear motor goes off, and a second cylinder head of the second cylinder, said second cylinder head having an inlet through which the medium to be compressed in the second cylinder interior of the second cylinder can be introduced. Furthermore, the second cylinder head has an outlet, via which the compressed in the second cylinder chamber medium from the second
  • Cylinder interior can be dispensed.
  • a second piston is preferably provided, which projects into the second cylinder interior and extends along the said longitudinal axis.
  • the second piston is in turn preferably connected to the rotor, so that the second piston is taken by the rotor and moved along the longitudinal axis back and forth, the second piston to is configured to compress medium located in the second cylinder interior, when the second piston moves in the direction of the second cylinder head.
  • a circumferential second gap is preferably present, which is sealed with at least one seal provided on the second piston, that only a part of the medium from the second cylinder interior, in turn present is referred to as leakage medium, passes through those second gap in the interior of the housing and there flows around the rotor and in particular also the stator (see above).
  • the interior is on the side of the second cylinder via a second leakage return in fluid communication with the inlet of the inlet to the first cylinder head, in particular those second
  • the two cylinders are thus provided on both sides of the linear motor, so that medium is sucked into the one cylinder interior, while it is discharged from the other cylinder interior.
  • a position detection means for detecting the position of the first and / or second piston is preferably provided.
  • encoderless methods may be used which use, for example, design-related, position-specific ratios of the inductances in the longitudinal and transverse directions to the central axis of the linear motor, it being possible to deduce the position by the position-specific conditions.
  • methods according to EP-B 1746718 or WO-A 1992019038 can be used.
  • the position detecting means comprises a coupled to the first or the second piston encoder which generates a first magnetic field (the encoder may be formed for example by a magnet) and a measuring element, for example, having a pressure-resistant rod in which magnetic, elastically deformable body is arranged or mounted.
  • the displacement sensor is in this case designed to generate a magnetic longitudinal field in the measuring element.
  • the position detection means is designed to allow a current signal to pass through the measuring element, so that a second magnetic field arises radially around the measuring element. When the two magnetic fields coincide, a deformation of the elastic body takes place, as a result of which a torsion wave passes through the measuring element, which is detected by the position detection means.
  • About the time difference between the current pulse and arrival of the torsion wave is on the position of the encoder and thus to the position of the piston or
  • Hydrogen dissolved, in particular using a reciprocating compressor according to the invention wherein according to claim the fluid medium is compressed at least in the first cylinder interior by means of the first piston, wherein only a portion of the medium (referred to as leakage medium) passes through that first gap in the interior of the housing and flows around the rotor and in particular also the stator, and wherein in particular the permanent magnets are protected from that medium by the coating of the permanent magnets, in particular before a hydrogenation and further an embrittlement.
  • leakage medium only a portion of the medium (referred to as leakage medium) passes through that first gap in the interior of the housing and flows around the rotor and in particular also the stator, and wherein in particular the permanent magnets are protected from that medium by the coating of the permanent magnets, in particular before a hydrogenation and further an embrittlement.
  • the method according to the invention is further provided that in the first cylinder interior compressed medium from the first cylinder interior is discharged and in the second cylinder interior by means of the second piston is re-compressed, in particular only a portion of the medium in turn from the second cylinder interior on the second gap passes into the interior of the housing of the linear motor and there flows around the rotor and in particular also the stator.
  • medium which has come into the interior space is returned to the inlet on the first cylinder head via the first leakage return line and / or the second leakage return line.
  • the interior of the housing is thus pressurized as described above and allows a return of the Leakage medium to the inlet on the first cylinder head (first compressor stage of the reciprocating compressor).
  • the position of the rotor, the first and / or the second piston is preferably detected, in particular with the above-mentioned position detection means.
  • the stroke of the first and / or the second piston is controlled so that the corresponding dead space in the first and / or second cylinder interior is reduced in order to increase the efficiency of the reciprocating compressor.
  • the respective dead space is that volume which delimits the end face of the respective piston together with the circumferential inner side of the respective cylinder and the inner side of the respective cylinder head facing the piston. When the dead space disappears, the piston or its end face touches the respective cylinder head.
  • the first medium is supplied in liquid form to the reciprocating compressor and in the
  • a gaseous, cryogenic supply is also possible in which the medium to be compressed from a source is transported in a cryogenically cryogenic manner into the first cylinder interior.
  • Fig. 1 is a partially sectioned view of an inventive
  • FIG. 1 is a further partially sectional view of the piston compressor according to the invention shown in FIG. 1.
  • the piston compressor 1 shows in connection with FIG. 2 a piston compressor 1 according to the invention.
  • the piston compressor 1 has a linear motor 10 which has a stator and a rotor 20 which can be moved back and forth along a longitudinal axis L by means of the stator.
  • the stator generates a magnetic field that interacts with permanent magnets P of the rotor 20, so that it is moved back and forth along the longitudinal axis L.
  • Stator and rotor 20 of the linear motor 10 which is configured in the present case as a tubular linear motor 10, are arranged in a housing 11 of the linear motor 10, which limits an inner space 100 of the linear motor 10.
  • Piston compressor 1 has on both sides of the housing 1 1 along the longitudinal axis L a first cylinder 30 and a second cylinder 70, which surround a first cylinder interior 300 and a second cylinder interior 700. These two cylinder inner spaces 300, 700 start from a first end section 100a or a second end section 100b of the inner space 100 of the housing 1 along the longitudinal axis L. The two end portions 100a, 100b of the inner space 100 of the housing 11 are opposite each other along the longitudinal axis L. In the first cylinder interior 300 slides a first piston 31, wherein a
  • circumferential gap S between the piston 31 and the first piston 31 facing the inside 300 a of the first cylinder 30 is formed, which is sealed by at least one, preferably by a plurality, in particular slotted seals 32 which seal in dynamic operation, but not statically.
  • Such slotted seals 32 are particularly characterized in that they have at one point a transection, which can be done by a parallel to the cylinder axis of the seal, oblique or three-dimensionally offset cut.
  • the seal 32 may be made with such a separation, or the separation is performed after the seal 32 is made.
  • a second piston 70 which in turn with at least one, preferably more, in particular slotted
  • Seals 72 abuts an inner side 700 a of the second cylinder 70 facing the second piston 71 and thus seals a circumferential second gap S 'between the second piston 71 and said inner side 700 a of the cylinder 70.
  • the two pistons 31, 71 of the thus formed compressor stages oscillate in operation between their reversal points in the two cylinders 30, 70 along the longitudinal axis L back and forth and are each by a device on the
  • Piston rod or the rotor 20 of the tubular linear motor 10 centered and fixed.
  • a centering adapter 21, 23 is seated on the respective free end of the rotor 20.
  • the centering adapters 21, 23 are each provided with a thread.
  • Mating rings 22, 24 are provided with a corresponding mating thread and screwed to the respectively associated centering adapter 21, 23, wherein the
  • Centering adapter 21, 23 are screwed on the one hand to the rotor 20 and the respective piston 31, 71 is clamped between the respective centering adapter 21, 23 and the respective mating ring 22,24, so that a rigid connection between the rotor 20 and the piston 31, 71st resuliert.
  • the second piston 71 is designed in two parts and has two sections 710, 720, wherein the first portion 710 is fixed to the rotor 20, via said centering adapter 23 and the associated counter-ring 24, and wherein the second portion 720 of the second Piston 71 from the interior 100 fro in the second cylinder 700 and there in the second cylinder interior 700
  • the two cylinders 31, 71 are each with a first and a second
  • the cylinders 30, 70 are each centered about a centering surface of a flange 12 with respect to the respective flange 12, wherein those flanges 12 are in turn centered on the housing 11 of the linear motor 10 via a centering surface.
  • the two flanges 12 are each screwed to the front side of the housing 1 and thus place the cylinder 30, 70 on the housing 11 firmly.
  • the sealing of the housing 11 or the cylinder 30, 70 against the environment takes place via a respective static seal in the form of an O-ring 101, 102, which are each arranged between a flange 12 and the housing 11.
  • the housing 11 is thus pressure-sealed.
  • Linear motor 10 itself is fixed via a flange holder 13 on the housing 1 on its respective footprint.
  • each piston 31, 71 has an annular, on the respective piston circumferential guide belt 33, 73 for receiving the radial forces.
  • parts of the medium M located in the respective cylinder interior 300, 700 can pass through said gaps S, S 'into the interior 100 of the housing 11, this seal leakage passing over a first and a first a second leakage return 51, 52 is returned in the form of a pipeline to the input side of the reciprocating compressor 1.
  • the first leakage return line 51 branches off at the first end section 100a of the interior 100 and is in fluid communication with a supply line 61, via which medium M to be compressed can be fed via an inlet 41 of the first cylinder head 40.
  • This inlet 41 is closed by a valve in the form of a suction valve 410. Due to the pressure-sealed construction as well as the said
  • Stator and rotor 20 are accordingly flows around the leakage gas M 'and transferred during operation heat to the leakage gas M'.
  • compressed medium M is discharged through an outlet 42 on the first cylinder head 40 which is closable with a pressure valve 420.
  • the first cylinder head 40 with the suction and pressure valve 410, 420 is seated at one end of the first cylinder 30 and in turn is screwed via a coupling ring on the first cylinder 30 with this.
  • the second cylinder head 80 is fixed with a coupling ring, the second cylinder head 80 in turn having an inlet 81 and an outlet 82, which are closable with a suction valve 810 and pressure valve 820.
  • From the outlet 42 of the first cylinder head 40 leads a connecting line (not shown) to the inlet 41 of the second cylinder head 80, wherein the feed line 61 and this connecting line are preferably each made heat-insulated.
  • Permanent magnets P of the linear motor 10 are protected against the hydrogen molecules.
  • the high-performance magnets used in high-performance linear motors 10 preferably consist of compounds of the elements neodymium-iron-boron. neodymium is a metal of the rare earths. Rare earths are used in metal hydride storage systems for hydrogen storage. The case used effect of adsorption and subsequent incorporation of the hydrogen atoms in the metal grid is extremely undesirable in the linear motor 10 and would permanently destroy the permanent magnet P.
  • the protection against this hydrogen storage of the permanent magnets P is preferably carried out by a nickel-copper-nickel coating of the permanent magnets P.
  • Cylinder interiors 300, 700 are preferably carried out via a position detection means 90, which may be a suitable displacement measuring system or else a sensorless control system.
  • the drive concept by means of the tubular linear motor 10 thus allows highly dynamic interventions in the
  • the compression of a gaseous, cryogenic medium M, in particular in the form of hydrogen, by means of the piston compressor 1 according to the invention is preferably carried out by said hydrogen M by a preferred heat-insulated lead 61 from a hydrogen supply via the suction valve 4 0 of the first cylinder head 40 in the first compression chamber or
  • the first cylinder interior 300 is sucked in, wherein in the next cycle the sucked hydrogen M is compressed by the first piston 31 (in this case, the first piston 31 moves toward the first cylinder head 40) and is pushed by the pressure valve 410 on the first cylinder head 40.
  • compressed gas M is sucked through said connecting line, which is also preferably carried out heat-insulated, through the suction valve 810 of the second cylinder head 80 of the second compressor stage and then compressed in the second cylinder interior 700 by corresponding movement of the second piston 71 and pushed out via the pressure valve 820 ,
  • the hydrogen is increased by the pressure increase a density increase. Due to the design, this runs Conversely, compression of the first stage and suction of the second stage simultaneously.
  • the compaction according to the invention at low temperature levels likewise means a small enthalpy difference of the medium M in the intake state to the compression-reduced state compared to a process with the same
  • the compression according to the invention at a low temperature level makes it possible, in particular, to dispense with a DC link heat exchanger, since the DC link temperature as a result of a temperature increase by the
  • Installation sites usually located ambient temperature is settled.
  • Linear motor piston rod or to the so-called rotor 20 allows easy replacement of the two pistons 31, 71 during maintenance. Furthermore, with the adjustment of the cylinder diameter at the same time, the piston diameters can be so be varied that either higher compression end pressures are achieved, or an increase in the capacity occurs.
  • the compressor system 1 described above can be operated both horizontally and vertically with advantage.
  • the first piston 31 has a diameter of 42 mm and the second piston 71 has a diameter of 16 mm.
  • the frequency of the Kolbenwegegung is preferably at 10 Hz
  • the mass flow of the working medium M is preferably 10 kg / h
  • the oscillating mass force (composed of the individual oscillating mass forces of the oscillating components: rotor 20,
  • Guide band 33, 73 is preferably 50 kg.
  • the stroke of the pistons 31, 71 is preferably 120 mm.
  • the piston movement preferably satisfies a sine function.
  • the resulting compaction force is 10 kN, the footprint of the
  • Compressor 1 that is, the area projected in plan view, is about 2.5 m by 1 m.
  • the achievable by the linear motor 10 maximum force is 13.8 kN and the of
  • Linear motor 10 achievable maximum speed is 4.1 m / s.
  • the rated power of the linear motor 10 is 26.6 kW.
  • the hydrogen is preferably added at 60 K and a pressure of 6 bara in the first cylinder interior 300, compressed and output at 184 K and 133 bara and pressed into the second cylinder interior 700, where it is compressed again and with 288 K and 600 bara is issued.
  • M medium e.g., hydrogen

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter (1) zum Verdichten eines tiefkalten, fluiden Mediums (M), insbesondere in Form von Wasserstoff. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein umlaufender erster Spalt (S) zwischen einem ersten Kolben (31 ) und einer dem ersten Kolben (31 ) zugewandten Innenseite (300a) eines ersten Zylinders (30) so mit zumindest einer am ersten Kolben (31 ) vorgesehenen Dichtung (32) abgedichtet ist, dass Leckagemedium (Μ') aus dem ersten Zylinderinnenraum (300) durch jenen ersten Spalt (S) in den Innenraum (100) des Gehäuses (11 ) gelangt und den Läufer (20) sowie insbesondere auch den Stator umströmt, wobei die Permanentmagnete (P) zum Schutz vor jenem Medium (M), insbesondere zum Schutz vor einer Hydrierung bei einem Medium (M) in Form von Wasserstoff, mit einer Beschichtung (B) versehen sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verdichten eines tiefkalten, fluiden Mediums (M), insbesondere Wasserstoff.

Description

Beschreibung
Kolbenverdichter und Verfahren zum Verdichten eines tiefkalten, gasförmigen
Mediums, insbesondere Wasserstoff
Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Verdichten eines fluiden, insbesondere gasförmigen, insbesondere tiefkalten Mediums, insbesondere in Form von Wasserstoff, gemäß Anspruch 8.
Vorliegend ist unter einem tiefkalten, fluiden Medium insbesondere ein fluides Medium zu verstehen, dass eine Temperatur im Bereich von 0 K bis 130 K aufweist. Ein fluides Medium ist dabei ein gasförmiges oder flüssiges Medium bzw. ein Phasengemisch aus einer gasförmigen und einer flüssigen Phase. Der erfindungsgemäße Kolbenverdichter kann allerdings auch mit höheren Eingangstemperaturen von insbesondere bis zu 320 K betrieben werden, also in einem Bereich von 0 K bis 320 K. Gase haben bei Normbedingungen, verglichen zu anderen Energieträgern, eine vergleichsweise sehr geringe Dichte. Um ein Gas effizient speichern zu können, ist es notwendig, die Masse des Gases in dem zur Verfügung stehendem Speicherraum zu erhöhen. Eine effektive Speicherung von Gasen wird zumeist mit einer Erhöhung des Gasdrucks realisiert. Als gegenwärtig häufigste Verfahren und Vorrichtungen zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums kommen Verdichtersysteme wie der Hubkolbenverdichter, der ionischen Verdichter, der Schraubenverdichter oder der Membranverdichter zum Einsatz. Weiterhin sind Verfahren zur Förderung und Verdichtung flüssiger, kryogener Medien bekannt, welche meist durch Kolbenverdichtersysteme realisiert werden.
Gattungsgemäße Verfahren sowie Vorrichtungen kommen beispielsweise in Erdgas- sowie Wasserstoffverdichterstationen, wie sie bei Gastankstellen realisiert werden, zur Anwendung.
Aus dem Stand der Technik DE-B 102006060147 ist z.B. eine durch einen Linearmotor angetriebene Fluidarbeitsmaschine bekannt, bei der z.B. der Stator im Linearmotor und der Läufer durch ein Spaltrohr und statische Dichtungen getrennt sind. Die vorgenannten Verdichter arbeiten üblicherweise mit Gaseingangstemperaturen im Bereich der Umgebungstemperatur ihres Einsatzortes. Bei mit Flüssiggas versorgten Verdichteranlagen ist es daher notwendig, die Flüssigkeit in ihren gasförmigen Zustand zu überführen. Die Anpassung der Gaseingangstemperatur in den Verdichter erfolgt über Verdampferanlagen. Die für die Temperaturerhöhung des Mediums notwendige Energie in den Verdampferanlagen erfolgt beispielsweise über Wärmeentzug aus der Umgebung oder per elektrischer Anheizvorrichtung. Förderleistungsstarke Kryopumpen hingegen müssen flüssig versorgt werden. Die zur Versorgung notwendigen Flüssigtanks sind aufgrund der begrenzten
Isoliermöglichkeiten und der dadurch resultierenden Verluste des Flüssig Wasserstoffs in Folge nicht nutzbaren Boil-Off-Gases bei langen Stehzeiten äußerst unwirtschaftlich. Aufgrund der in Verdichtern vorkommenden Temperaturdifferenzen ist es
beispielsweise für Kolbenverdichter konstruktiv notwendig, Längentoleranzen vorzusehen, die mit einer Erhöhung des Totraums einhergehen. Die erhöhte
Gasrückexpansion bedingt durch den verhältnismäßig großen Totraum bedeutet eine verminderte Förderleistung.
Bei einem totraumlosen Verdichter (z.B. ionischer Verdichter), begrenzt die
Kristallisationstemperatur der ionischen Flüssigkeit den Einsatz bei tiefen
Temperaturen. Weiterhin fordern Ionische Verdichter eine horizontale Einbaulage um die Flüssigkeitssäule aufrecht zu erhalten.
Aus dem Stand der Technik bekannte Kolbenverdichter können des Weiteren oft nicht druckgekapselt gebaut werden, wodurch eine gewisse Leckage des zu verdichtenden Mediums an die Umgebung in Kauf genommen werden muss. Selbst statische
Dichtungen erlauben nur bedingt eine leckagefreie Abdichtung. Im Fall der Förderung und Verdichtung von Wasserstoff gemäß dem in der DE-B 102006060147 offenbarten System steht der Fachmann zudem vor dem Problem der Hydrierung der
Permanentmagnete durch das Leckagegas.
Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten Kolbenverdichter sowie ein entsprechendes Verfahren zum Verdichten eines fluiden (z.B. gasförmigen), sowie insbesondere tiefkalten Mediums, insbesondere Wasserstoff, anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kolbenverdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden des Weiteren unten beschrieben.
Gemäß Anspruch 1 weist der erfindungsgemäße Kolbenverdichter zum Verdichten eines insbesondere tiefkalten, fluiden Mediums, insbesondere in Form von
Wasserstoff, einen Linearmotor auf, der einen Stator sowie einen Permanentmagnete aufweisenden Läufer aufweist, wobei der Stator in bekannter Weise dazu ausgebildet ist, zum Antreiben des Läufers ein magnetisches Feld zu erzeugen, um den Läufer entlang einer Längsachse, entlang der sich der Läufer erstreckt, relativ zum Stator hin und her zu bewegen. Weiterhin weist der Kolbenverdichter ein Gehäuse des
Linearmotors auf, das einen Innenraum definiert, in dem der Läufer und der Stator angeordnet sind, sowie einen mit dem Gehäuse verbundenen ersten Zylinder des Kolbenverdichters, der einen ersten Zylinderinnenraum definiert, der von jenem
Innenraum abgeht, sowie des Weiteren einen ersten Zylinderkopf des ersten Zylinders, mit einem Einlass, über den das Medium in den ersten Zylinderinnenraum des ersten Zylinders einleitbar ist, sowie mit einem Auslass, über den verdichtetes Medium aus jenem ersten Zylinderinnenraum ausgebbar ist. Weiterhin weist der Kolbenverdichter einen in den ersten Zylinderinnenraum hineinragenden, entlang der Längsachse erstreckten ersten Kolben auf, der mit dem Läufer verbunden ist, so dass der erste Kolben vom Läufer mitgenommen und entlang der Längsachse hin und her bewegt wird, wobei der erste Kolben dazu ausgebildet ist, im ersten Zylinderinnenraum befindliches Medium zu verdichten, wenn sich der erste Kolben in Richtung auf den ersten Zylinderkopf bewegt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass ein
umlaufender erster Spalt zwischen dem ersten Kolben und einer dem ersten Kolben zugewandten Innenseite des ersten Zylinders so mit zumindest einer am ersten Kolben vorgesehenen Dichtung abgedichtet ist, dass lediglich ein Teil des Mediums, vorliegend als Leckagemedium bezeichnet, aus dem ersten Zylinderinnenraum durch jenen ersten Spalt in den Innenraum des Gehäuses gelangen kann und den Läufer sowie insbesondere auch den Stator umströmt, wobei die Permanentmagnete des Läufers zum Schutz vor jenem Leckagemedium, insbesondere zum Schutz vor einer Hydrierung und ferner einer Versprödung bei einem Medium in Form von Wasserstoff, mit einer Beschichtung versehen sind.
Die mindestens eine am ersten Kolben vorgesehene Dichtung soll also den ersten Zylinderinnenraum abdichten, wobei jedoch in der Regel eine gewisse Leckage an der Dichtung vorbei nicht verhinderbar ist. Gleiches gilt für den zweiten Kolben (siehe unten).
Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Kolbenverdichter bzw. das unten erläuterte Verfahren dazu ausgebildet bzw. ausgelegt, ein fluides Medium zu verdichten. Das Medium kann also rein gasförmig sein oder als Mischung einer gasförmigen und einer flüssigen Phase vorliegen. Weiterhin kann das Medium auch als Flüssigkeit vorliegen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kolbenverdichters ist vorgesehen, dass die besagten Permanentmagnete eine
Neodym-Eisen-Bor-Legierung aufweisen bzw. aus diesem Material gefertigt sind.
Generell eignen sich als Materialien für die erfindungsgemäßen Permanentmagnete Ferrite und deren Verbindungen mit Zink und/oder Nickel sowie mit Mangan, sowie Strontium-Ferrite, Cobalt-Ferrite, Barium-Ferrite, sowie weiterhin Legierungen aus Samarium-Cobalt und Aluminium-Nickel-Cobalt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kolbenverdichters ist vorgesehen, dass die Beschichtung der Permanentmagnete durch eine Nickel-Kupfer-Nickel-Beschichtung gegeben ist. D.h., die
Parmanentmagente sind mit einer Schicht Nickel beschichtet, gefolgt von einer Schicht Kupfer, gefolgt von einer (insbesondere äußersten) Schicht Nickel. Erfindungsgemäße NiCuNi-Beschichtungen können z.B. galvanisch hergestellt werden. Weiterhin kann eine Beschichtung der Permanentmagnete zum Schutz der
Permanentmagnete auch einen der folgenden Stoffe bzw. Verbindungen aufweisen: Aluminium-Oxid, Wolfram, Molybdän, Gold, Platin, Chrom, Kadmium, Zinn, Aluminium, Silikate aus Wolfram und Molybdän, oder Nickel-Aluminium-Verbindungen. Weiterhin kann es sich bei der Beschichtung auch um eine Oxidationsschicht des Grundmaterials der Permanentmagnete handeln, die insbesondere vor der
Hydrierung/Versprödung erzeugt wird. Eine solche Oxidschicht kann z.B. durch das ungeschützte Umspülen und Verweilen der Permanentmagnete im Luftsauerstoff, oder vorzugsweise durch ein Druckbeaufschlagen der Permanentmagnete in (insbesondere hochreinem) Sauerstoff erzeugt werden.
Eine Gesamtschichtstärke der jeweiligen Beschichtung normal zur Erstreckungsfläche der Beschichtung bzw. normal zu den einzelnen Schichten liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 3 μητι bis 500 μιη.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Innenraum des Gehäuses über eine erste Leckagerückleitung in Fluidverbindung mit einer Zuleitung zum Einlass am ersten Zylinderkopf steht, so dass der Innenraum des Gehäuses mit einem Druck
beaufschlagt ist, der den Druck in jener Zuleitung entspricht, wobei bevorzugt die erste Leckagerückleitung von einem ersten Endabschnitt des Innenraums abzweigt, und wobei bevorzugt der erste Zylinderinnenraum von jenem ersten Endabschnitt des Innenraums abgeht. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolbenverdichter einen mit dem Gehäuse verbundenen zweiten Zylinder aufweist. Mit einem solchen zweiten Zylinder kann ein zweistufiges Verdichten des zu verdichtenden Mediums vorgenommen werden. Vorzugsweise weist der zweite Zylinder einen zweiten Zylinderinnenraum auf, der von jenem Innenraum des
Gehäuses des Linearmotors abgeht, sowie einen zweiten Zylinderkopf des zweiten Zylinders, wobei jener zweite Zylinderkopf einen Einlass aufweist, über den das zu verdichtende Medium in den zweiten Zylinderinnenraum des zweiten Zylinders einleitbar ist. Weiterhin weist der zweite Zylinderkopf einen Auslass auf, über den das in dem zweiten Zylinderinnenraum verdichtete Medium aus dem zweiten
Zylinderinnenraum ausgebbar ist. Des Weiteren ist bevorzugt ein zweiter Kolben vorgesehen, der in den zweiten Zylinderinnenraum hineinragt und entlang der besagten Längsachse erstreckt ist. Der zweite Kolben ist der wiederum bevorzugt mit dem Läufer verbunden, so dass der zweite Kolben vom Läufer mitgenommen und entlang der Längsachse hin und her bewegt wird, wobei der zweite Kolben dazu ausgebildet ist, im zweiten Zylinderinnenraum befindliches Medium zu verdichten, wenn sich der zweite Kolben in Richtung auf den zweiten Zylinderkopf bewegt.
Zwischen dem zweiten Kolben und einer dem zweiten Kolben zugewandten Innenseite des zweiten Zylinders ist weiterhin bevorzugt ein umlaufender zweiter Spalt vorhanden, der so mit zumindest einer am zweiten Kolben vorgesehenen Dichtung abgedichtet ist, dass lediglich ein Teil des Mediums aus dem zweiten Zylinderinnenraum, das vorliegend wiederum als Leckagemedium bezeichnet wird, durch jenen zweiten Spalt in den Innenraum des Gehäuses gelangt und dort den Läufer sowie insbesondere auch den Stator umströmt (siehe oben).
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Innenraum auf der Seite des zweiten Zylinders über eine zweite Leckagerückleitung in Fluidverbindung mit der Zuleitung des Einlasses am ersten Zylinderkopf steht, wobei insbesondere jene zweite
Leckagerückleitung von einem zweiten Endabschnitt des Innenraums abzweigt, der den ersten Endabschnitt entlang der Längsachse des Kolbenverdichters
gegenüberliegt, wobei vorzugsweise der zweite Zylinderinnenraum von jenem zweiten Endabschnitt des Innenraumes abgeht. Die beiden Zylinder sind also zu beiden Seiten des Linearmotors vorgesehen, so dass in den einen Zylinderinnenraum Medium eingesaugt wird, während es aus dem anderen Zylinderinnenraum ausgegeben wird.
Damit auf die Bewegung des Kolbens Einfluss genommen werden kann, sowie insbesondere der Hub des ersten bzw. zweiten Kolbens geregelt werden kann, ist bevorzugt ein Positionserfassungsmittel zur Erfassung der Position des ersten und/oder zweiten Kolbens vorgesehen. Hierbei können geberlose Verfahren verwendet werden, die beispielsweise konstruktionsbedingte, positionsspezifische Verhältnisse der Induktivitäten in Längs- und Querrichtung zur Mittelachse des Linearmotors verwenden, wobei durch die positionsspezifischen Verhältnisse auf die Position geschlossen werden kann. Weiterhin können Verfahren gemäß EP-B 1746718 oder WO-A 1992019038 verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Positionserfassungsmittel einen mit dem ersten oder dem zweiten Kolben gekoppelten Weggeber auf, der ein erstes Magnetfeld erzeugt (der Weggeber kann z.B. durch einen Magneten gebildet sein) sowie ein Messelement, das z.B. einen druckfesten Stab aufweist, in dem ein magnetischer, elastisch verformbarer Körper angeordnet bzw. montiert ist. Der Weggeber ist hierbei dazu ausgebildet, im Messelement ein magnetisches Längsfeld zu erzeugen. Weiterhin ist das Positionserfassungsmittel dazu ausgebildet, ein Stromsignal durch das Messelement laufen zu lassen, so dass ein zweites Magnetfeld radial um das Messelement entsteht. Beim Zusammentreffen beider Magnetfelder erfolgt eine Verformung des elastischen Körpers, wodurch eine Torsionswelle durch das Messelement verläuft, welche vom Positionserfassungsmittel erfasst wird. Über die Zeitdifferenz zwischen Stromimpuls und Ankunft der Torsionswelle wird auf die Position des Weggebers und somit auf die Position des bzw. der Kolben
rückgeschlossen.
Weiterhin wird das erfindungsgemäße Problem durch ein Verfahren zum Verdichten eines insbesondere tiefkalten, fluiden Mediums, insbesondere in Form von
Wasserstoff, gelöst, insbesondere unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters, wobei anspruchsgemäß das fluide Medium zumindest in dem ersten Zylinderinnenraum mittels des ersten Kolbens verdichtet wird, wobei lediglich ein Teil des Mediums (als Leckagemedium bezeichnet) durch jenen ersten Spalt in den Innenraum des Gehäuses gelangt und den Läufer sowie insbesondere auch den Stator umströmt, und wobei insbesondere die Permanentmagnete vor jenem Medium durch die Beschichtung der Permanentmagnete geschützt werden, insbesondere vor einer Hydrierung und ferner einer Versprödung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist des Weiteren vorgesehen, dass im ersten Zylinderinnenraum verdichtetes Medium aus dem ersten Zylinderinnenraum ausgegeben wird und im zweiten Zylinderinnenraum mittels des zweiten Kolbens nochmalig verdichtet wird, wobei insbesondere lediglich ein Teil des Mediums wiederum aus dem zweiten Zylinderinnenraum über den zweiten Spalt in den Innenraum des Gehäuses des Linearmotors gelangt und dort den Läufer sowie insbesondere auch den Stator umströmt.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass in den Innenraum gelangtes Medium über die erste Leckagerückleitung und/oder die zweite Leckagerückleitung zum Einlass am ersten Zylinderkopf zurückgeführt wird. Der Innenraum des Gehäuses ist somit wie oben beschrieben druckbeaufschlagt und erlaubt eine Rückführung des Leckagenmediums zum Einlass am ersten Zylinderkopf (erste Verdichterstufe des Kolbenverdichters).
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, wie oben bereits angedeutet, dass die Position des Läufers, des ersten und/oder des zweiten Kolbens vorzugsweise erfasst wird, und zwar insbesondere mit dem oben genannten Positionserfassungsmittel. Vorzugsweise wird der Hub des ersten und/oder des zweiten Kolbens so geregelt, dass der entsprechende Totraum im ersten und/oder zweiten Zylinderinnenraum verkleinert wird, um die Effizienz des Kolbenverdichters zu steigern. Der jeweilige Totraum ist dabei dasjenige Volumen, das die Stirnseite des jeweiligen Kolbens zusammen mit der umlaufenden Innenseite des jeweiligen Zylinders sowie der dem Kolben zugewandten Innenseite des jeweiligen Zylinderkopfes begrenzt. Bei verschwindendem Totraum berührt der Kolben bzw. dessen Stirnseite den jeweiligen Zylinderkopf. Besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass das erste Medium in flüssiger Form den Kolbenverdichter zugeführt wird und im
allgemeinen kurz vor dem Einleiten in die erste Zylinderkammer in den gasförmigen Zustand überführt wird, wobei bevorzugt zum Verdampfen des Mediums
Umgebungswärme und/oder Abwärme des Linearmotors verwendet wird.
Zum Zweck der Verdichtung ist vorgesehen, dass die Ansaugtemperatur des zu verdichtenden Mediums knapp über der des Gleichgewichtspunkts des
entsprechenden Ansaugdrucks liegt. Neben einer Flüssigversorgung ist ferner auch eine gasförmige, tiefkalte Versorgung möglich, bei der das zu verdichtende Medium aus einer Quelle gasförmig tiefkalt in den ersten Zylinderinnenraum transportiert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen bei der nachfolgenden
Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung an Hand der Figuren erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen
Kolbenverdichters; und Fig. 2 eine weitere teilweise geschnittene Ansicht des in der Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Kolbenverdichters.
Fig. 1 zeigt im Zusammenhang mit Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Kolbenverdicher 1. Der Kolbenverdichter 1 weist einen Linearmotor 10 auf, der einen Stator aufweist, sowie einen Läufer 20, der mittels des Stators entlang einer Längsachse L hin und her bewegbar ist. Der Stator erzeugt dabei ein Magnetfeld, das mit Permanentmagneten P des Läufers 20 zusammenwirkt, so dass dieser entlang der Längsachse L hin und her bewegt wird. Stator und Läufer 20 des Linearmotors 10, der vorliegend als tubulärer Linearmotor 10 ausgestaltet ist, sind dabei in einem Gehäuse 11 des Linearmotors 10 angeordnet, das einen Innenraum 100 des Linearmotors 10 begrenzt. Der
Kolbenverdichter 1 weist auf beiden Seiten des Gehäuses 1 1 entlang der Längsachse L einen ersten Zylinder 30 sowie einen zweiten Zylinder 70 auf, die einen ersten Zylinderinnenraum 300 bzw. einen zweiten Zylinderinnenraum 700 umgeben. Diese beiden Zylinderinnenräume 300, 700 gehen von einem ersten Endabschnitt 100a bzw. einem zweiten Endabschnitt 100b des Innenraums 100 des Gehäuses 1 entlang der Längsachse L ab. Die beiden Endabschnitte 100a, 100b des Innenraums 100 des Gehäuses 11 liegen einander entlang der Längsachse L gegenüber. In dem ersten Zylinderinnenraum 300 gleitet ein erster Kolben 31 , wobei ein
umlaufender Spalt S zwischen dem Kolben 31 und einer dem ersten Kolben 31 zugewandten Innenseite 300a des ersten Zylinders 30 ausgebildet ist, der durch zumindest eine, bevorzugt durch mehrere, insbesondere geschlitzte Dichtungen 32 abgedichtet ist, welche im dynamischen Betrieb dichten, statisch jedoch nicht.
Derartige geschlitzte Dichtungen 32 sind insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie an einer Stelle eine Durchtrennung aufweisen, die durch einen zur Zylinderachse der Dichtung parallelen, schrägen oder dreidimensional abgesetzten Schnitt erfolgen kann. Die Dichtung 32 kann mit einer solchen Trennung hergestellt werden, oder die Trennung wird nach der Herstellung der Dichtung 32 ausgeführt.
In analoger Weise gleitet im zweiten Zylinderinnenraum 700 ein zweiter Kolben 70, der wiederum mit zumindest einer, bevorzugt mehreren, insbesondere geschlitzten
Dichtungen 72 an einer dem zweiten Kolben 71 zugewandten Innenseite 700a des zweiten Zylinders 70 anliegt und somit einen umlaufenden zweiten Spalt S' zwischen dem zweiten Kolben 71 und der besagten Innenseite 700a des Zylinders 70 abdichtet. Die beiden Kolben 31 , 71 der solchermaßen gebildeten Verdichterstufen oszillieren im Betrieb zwischen ihren Umkehrpunkten in den beiden Zylindern 30, 70 entlang der Längsachse L hin und her und werden jeweils durch eine Vorrichtung auf der
Kolbenstange bzw. dem Läufer 20 des tubulären Linearmotors 10 zentriert und fixiert. Hierbei sitzt auf dem jeweiligen freien Ende des Läufers 20 je ein Zentrieradapter 21 , 23. Die Zentrieradapter 21 , 23 sind jeweils mit einem Gewinde versehen. Die
Gegenringe 22, 24 sind mit einem entsprechenden Gegengewinde versehen und mit dem jeweils zugeordneten Zentrieradapter 21 , 23 verschraubt, wobei die
Zentrieradapter 21 ,23 einerseits mit dem Läufer 20 verschraubt sind und der jeweilige Kolben 31 , 71 zwischen dem jeweiligen Zentrieradapter 21 , 23 und dem jeweiligen Gegenring 22,24 eingeklemmt ist, so dass eine starre Verbindung zwischen dem Läufer 20 und den Kolben 31 , 71 resuliert.
Der zweite Kolben 71 ist dabei zweiteilig ausgeführt und weist zwei Abschnitte 710, 720 auf, wobei der erste Abschnitt 710 an dem Läufer 20 festgelegt ist, und zwar über den besagten Zentrieradapter 23 sowie den zugeordneten Gegenring 24, und wobei der zweite Abschnitt 720 des zweiten Kolbens 71 vom Innenraum 100 her in den zweiten Zylinder 700 steht und dort in den zweiten Zylinderinnenraum 700
eingesaugtes Medium M verdichtet.
Die beiden Zylinder 31 , 71 sind jeweils mit einem ersten bzw. einem zweiten
Zylinderkopf 40, 80 stirnseitig verschlossen, über die das zu verdichtende Medium M in den jeweiligen Zylinder 30, 70 eingeleitet und aus dem jeweiligen Zylinderverdichtet ausgegeben wird.
Weiterhin sind die Zylinder 30, 70 jeweils über eine Zentrierfläche eines Flansches 12 bezüglich des jeweiligen Flansches 12 zentriert, wobei jene Flansche 12 wiederum über eine Zentrierfläche zum Gehäuse 11 des Linearmotors 10 zentriert sind. Die beiden Flansche 12 sind jeweils stirnseitig am Gehäuse 1 festgeschraubt und legen somit die Zylinder 30, 70 am Gehäuse 11 fest. Die Abdichtung des Gehäuses 11 bzw. der Zylinder 30, 70 gegen die Umgebung erfolgt dabei über je einen statische Dichtung in Form eines O-Ringes 101 , 102, die jeweils zwischen einem Flansch 12 und dem Gehäuse 11 angeordnet sind. Das Gehäuse 11 ist somit druckgekapselt. Der
Linearmotor 10 selbst wird über eine Flanschhalterung 13 am Gehäuse 1 auf seiner jeweiligen Standfläche fixiert. Weiterhin besitzt jeder Kolben 31 , 71 ein ringförmiges, am jeweiligen Kolben umlaufendes Führungsband 33, 73 zur Aufnahme der Radialkräfte. Wie bereits angedeutet, können bei der Pendelbewegung der beiden Kolben 31 , 71 Teile des in den jeweiligen Zylinderinnenraums 300, 700 befindlichen Mediums M durch die besagte Spalte S, S' in den Innenraum 100 des Gehäuses 11 gelangen, wobei diese Dichtungsleckage über eine erste und eine zweite Leckagerückleitung 51 , 52 in Form einer Rohrleitung zur Eingangsseite des Kolbenverdichters 1 zurückgeführt wird.
Hierbei zweigt die erste Leckagerückleitung 51 am ersten Endabschnitt 100a des Innenraumes 100 ab und steht in Fluidverbindung mit einer Zuleitung 61 , über die zu verdichtendes Medium M über einen Einlass 41 des ersten Zylinderkopfes 40 zuführbar ist. Dieser Einlass 41 ist dabei über ein Ventil in Form eines Saugventils 410 verschließbar. Durch den druckgekapselten Aufbau sowie die besagte
Leckagerückführung ist der Stator und der Läufer 20 des Linearmotors 10
entsprechend dem Eingangsdruck des Kolbenverdichters 1 am Einlass 41
druckbeaufschlagt. Stator und Läufer 20 werden entsprechend vom Leckagegas M' umströmt und übertragen im Betrieb Wärme auf das Leckagegas M'. In dem ersten Zylinderinnenraum 300 mittels des ersten Kolbens 31 verdichtetes Medium M wird über einen Auslass 42 am ersten Zylinderkopf 40 ausgegeben, der mit einem Druckventil 420 verschließbar ist.
Der erste Zylinderkopf 40 mit dem Saug- und Druckventil 410, 420 sitzt an einem Ende des ersten Zylinders 30 und wird seinerseits über ein Überwurfring am ersten Zylinder 30 mit diesem verschraubt. In der gleichen Weise ist am gegenüberliegenden Ende des zweiten Zylinders 70 der zweite Zylinderkopf 80 mit einem Überwurfring festgelegt, wobei der zweite Zylinderkopf 80 wiederum einen Einlass 81 sowie einen Auslass 82 aufweist, die mit einem Saugventil 810 bzw. Druckventil 820 verschließbar sind. Vom Auslass 42 des ersten Zylinderkopfes 40 führt eine Verbindungsleitung (nicht gezeigt) zum Einlass 41 des zweiten Zylinderkopfes 80, wobei die Zuleitung 61 und diese Verbindungsleitung vorzugsweise jeweils wärmeisoliert ausgeführt sind.
Bei der Verdichtung eines wasserstoffhaltigen Mediums M müssen die
Permanentmagnete P des Linearmotors 10 gegen die Wasserstoffmoleküle geschützt werden. Die in leistungsstarken Linearmotoren 10 eingesetzten Hochleistungsmagnete bestehen vorzugsweise aus Verbindungen der Elemente Neodym-Eisen-Bor. Neodym ist dabei ein Metall der seltenen Erden. Seltene Erden finden in Metallhydridspeichern zur Wasserstoffspeicherung Anwendung. Der dabei genutzte Effekt der Adsorption und späteren Einlagerung der Wasserstoffatome im Metallgitter ist im Linearmotor 10 äußerst unerwünscht und würde auf Dauer die Permanentmagnete P zerstören. Der Schutz gegen diese Wasserstoffspeicherung der Permanentmagnete P erfolgt vorzugsweise durch eine Nickel-Kupfer-Nickel-Beschichtung der Permanentmagnete P.
Die Positionierung der beiden Kolben 31 , 71 in den entsprechenden
Zylinderinnenräumen 300, 700 erfolgt bevorzugt über ein Positionserfassungsmittel 90, bei dem es sich um ein geeignetes Wegmesssystem oder aber auch um ein geberloses Regelungssystem handeln kann. Das Antriebskonzept mittels des tubulären Linearmotors 10 erlaubt hierdurch hochdynamische Eingriffe in die
Bewegungsabläufe des Kolbenverdichters 1 , während des Verdichtungsprozesses. Somit wird es möglich, den Hubkolbenverdichter 1 variabel zu gestalten und auf Längenänderung in Folge von Wärmeausdehnungen zu reagieren und somit eine Hubanpassung durchzuführen. Die Anpassung des Kolbenhubs der beiden Kolben 31 , 71 erwirkt somit eine Minimierung des Totraums, was sich positiv auf die
Förderleistung des Kolbenverdichters 1 auswirkt.
Die Verdichtung eines gasförmigen, tiefkalten Mediums M, insbesondere in Form von Wasserstoff, mittels des erfindungsgemäßen Kolbenverdichters 1 erfolgt vorzugsweise indem der besagte Wasserstoff M durch eine bevorzugte wärmeisolierte Zuleitung 61 von einer Wasserstoffversorgung über das Saugventil 4 0 des ersten Zylinderkopfs 40 in den ersten Verdichtungsraum bzw. ersten Zylinderinnenraum 300 angesaugt wird, wobei im nächsten Takt der angesaugte Wasserstoff M durch den ersten Kolben 31 verdichtet wird (hierbei bewegt sich der erste Kolben 31 auf den ersten Zylinderkopf 40 zu) und durch das Druckventil 410 am ersten Zylinderkopf 40 aufgeschoben wird. Das. aufgeschobene, verdichtete Gas M wird über die besagte Verbindungsleitung, die ebenfalls vorzugsweise wärmeisoliert ausgeführt wird, durch das Saugventil 810 des zweiten Zylinderkopfs 80 der zweiten Verdichterstufe angesaugt und anschließend im zweiten Zylinderinnenraum 700 durch entsprechende Bewegung des zweiten Kolbens 71 verdichtet und über das Druckventil 820 ausgeschoben. Dem Wasserstoff ist durch die Druckerhöhung eine Dichteerhöhung wiederfahren. Bauformbedingt läuft das Verdichten der ersten Stufe und das Ansaugen der zweiten Stufe umgekehrt zeitgleich ab.
Die erfindungsgemäße Verdichtung bei niedrigen Temperaturniveaus bedeutet gleichermaßen eine geringe Entalphie-Differenz des Mediums M im Ansaugzustand zum Verdichtungsentzustand verglichen zu einem Prozess mit gleichen
Druckpotentialen bei höherer Temperatur (z. B. Gas bei Raumtemperatur). Dadurch verringert sich die zur Verdichtung notwendiger Arbeit, was sich in einem verminderten Leistungsbedarf äußert.
Die erfindungsgemäße Verdichtung bei niedrigem Temperaturniveau erlaubt es insbesondere, auf einen Zwischenkreiswärmetauscher verzichten zu können, da die Zwischenkreistemperatur in Folge einer Temperaturerhöhung durch den
Verdichtungsprozess nach der ersten Verdichterstufe weiter unter der auf den
Einsatzorten üblicherweise anzufindenden Umgebungstemperatur angesiedelt ist.
Die erfindungsgemäße Verdichtung bei niedrigem Temperaturniveaus geht weiterhin mit hohen spezifischen Dichten der Medien M einher, wodurch eine für reine
Gasverdichter verhältnismäßig besonders hohe Förderleistung erreicht wird.
Durch den bevorzugt vollhermetischen Aufbau des Verdichtersystems 1 entfällt eine dynamische Abdichtung bewegter Teile gegen die Umgebung, wodurch die technisch bekannten Vorteile der statischen Dichtung genutzt werden können. Der vollhermetische Aufbau des Kolbenverdichtersystems 1 verbietet die
Kontamination des Gehäuses 11 durch Umgebungsluft. Dies wird realisiert, indem das Gehäuse 11 ständig mit Überdruck beaufschlagt ist, der dem Eingangsdruck der ersten Verdichterstufe entspricht. Dies ermöglicht eine Rückführung der Gasleckage M' der dynamischen Kolbendichtungen 32, 72 in den jeweiligen Ansaugtrakt bzw.
Zylinderinnenraum 300, 700.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Kolbenfixierung an der
Linearmotorkolbenstange bzw. an den sogenannten Läufer 20 ermöglicht einen unkomplizierten Austausch der beiden Kolben 31 , 71 im Wartungsfall. Ferner können, bei gleichzeitiger Anpassung der Zylinderdurchmesser, die Kolbendurchmesser so variiert werden, dass entweder höhere Verdichtungsenddrücke erzielt werden, oder eine Erhöhung der Förderleistung erfolgt.
Bei flüssig versorgten Verdichterstationen 1 besteht weiterhin die Möglichkeit, das in Folge eines Wärmeeintrags in den Tank entstehende Boil-Off-Gas anzusaugen und für die Verdichtung zu nutzen.
Trotz der prozessbedingten hohen realisierbaren Förderleistung des Verdichtersystems 1 bleibt der Platzbedarf verglichen zu den gängigen Gasverdichtersystemen gering.
Das vorstehend beschriebene Verdichtersystem 1 kann sowohl horizontal als auch vertikal mit Vorteil betrieben werden.
In einer Ausführung des Kolbeverdichters 1 zur Wasserstoffverdichtung ist vorgesehen, dass der erste Kolben 31 einen Durchmesser von 42 mm und der zweite Kolben 71 einen Durchmesser von 16mm aufweist. Die Frequenz der Kolbenwegegung liegt dabei vorzugsweise bei 10 Hz, Der Massenstrom des Arbeitsmediums M beträgt vorzugsweise 10 kg/h, die oszillierende Massenkraft (sich zusammensetzend aus den einzelnen oszillierenden Massenkräfte der oszillierenden Bauteile: Läufer 20,
Zentrieradapter 21 , 23, Gegenring 22, 24, Kolben 31 , 71 , Dichtung 32, 72,
Führungsband 33, 73) beträgt vorzugsweise 50 kg. Der Hub der Kolben 31 , 71 beträgt vorzugsweise 120 mm. Die Kolbenbewegung genügt vorzugsweise einer Sinus- Funktion. Die resultierende Verdichtungskraft beträgt 10 kN, der Footprint des
Verdichters 1 , d.h., die in der Draufsicht projizierte Fläche, liegt bei ca. 2,5 m x 1 m. Die vom Linearmotor 10 erreichbare Maximalkraft liegt bei 13,8 kN und die vom
Linearmotor 10 erreichbare Maximalgeschwindigkeit liegt bei 4,1 m/s. Die Nennleistung des Linearmotors 10 beträgt dabei 26,6 kW.
Der Wasserstoff wird dabei bevorzugt bei 60 K und einem Druck von 6 bara in den ersten Zylinderinnenraum 300 gegeben, verdichtet und bei 184 K und 133 bara ausgegeben und in den zweiten Zylinderinnenraum 700 gedrückt, wo er nochmalig verdichtet wird und mit 288 K und 600 bara ausgegeben wird. Bezugszeichenliste
1 Kolbenverdichter
10 Linearmotor
11 Gehäuse
12 Flansch
13 Flansch
20 Läufer
21 Zentrieradapter
22 Gegenring
23 Zentrieradapter
24 Gegenring
30 Erster Zylinder
31 Erster Kolben
32 Dichtung
33 Führungsband
0 Erster Zylinderkopf 1 Einlass
2 Auslass
1 Erste Leckagerückleitung 2 Zweite Leckagerückleitung 1 Zuleitung
0 Zweiter Zylinder
1 Zweiter Kolben
2 Dichtung
3 Führungsband
0 Zweiter Zylinderkopf 1 Einlass
2 Auslass
0 Positionserfassungsmittel 1 Weggeber
2 Messelement
100 Innenraum
100a Erster Endabschnitt 100b Zweiter Endabschnitt
101 , 102 O-Ringe (statische Dichtungen)
300 Erster Zylinderinnenraum
300a Innenseite
400 Gehäuse
410 Ventil (Saugventil)
420 Ventil (Druckventil)
700 Zweiter Zylinderinnenraum
700a Innenseite
810 Ventil (Saugventil)
820 Ventil (Druckventil)
M Medium (z.B. Wasserstoff)
M' Leckagemedium
P Permanentmagnete (Läufer)
B Beschichtung
L Längsachse
S Erster Spalt
S' Zweiter Spalt

Claims

Patentansprüche
1. Kolbenverdichter, zum Verdichten eines tiefkalten, fluiden Mediums, insbesondere in Form von Wasserstoff, mit:
- einem Linearmotor ( 0), der einen Stator sowie einen Permanentmagnete (P) aufweisenden Läufer (20) aufweist, wobei der Stator dazu ausgebildet ist, zum
Antreiben des Läufers (20) ein magnetisches Feld zu generieren, um den Läufer (20) entlang einer Längsachse (L), entlang der sich der Läufer (20) erstreckt, relativ zum Stator hin- und her zu bewegen,
- einem Gehäuse (11 ) des Linearmotors (10), das einen Innenraum (100) definiert, in dem der Läufer (20) und der Stator angeordnet sind,
- einem mit dem Gehäuse (1 1 ) verbundenen ersten Zylinder (30), der einen ersten Zylinderinnenraum (300) definiert, der von jenem Innenraum (100) abgeht,
- einem ersten Zylinderkopf (40) des ersten Zylinders (30), mit einem Einlass (41 ), über den das Medium (M) in den ersten Zylinderinnenraum (300) einleitbar ist, sowie mit einem Auslass (42), über den verdichtetes Medium (M) aus jenem ersten Zylinderinnenraum (300) ausgebbar ist,
- einen in den ersten Zylinderinnenraum (300) hineinragenden, entlang der
Längsachse (L) erstreckten ersten Kolben (31 ), der mit dem Läufer (20) gekoppelt ist, so dass der erste Kolben (31 ) vom Läufer (20) mitgenommen und entlang der Längsachse (L) hin- und her bewegt wird, wobei der erste Kolben (31 ) dazu ausgebildet ist, im ersten Zylinderinnenraum (300) befindliches Medium (M) bei einer Bewegung des ersten Kolbens (31 ) zum ersten Zylinderkopf (40) hin zu verdichten,
dadurch gekennzeichnet, dass ein umlaufender erster Spalt (S) zwischen dem ersten Kolben (31 ) und einer dem ersten Kolben (31 ) zugewandten Innenseite (300a) des ersten Zylinders (30) so mit zumindest einer am ersten Kolben (31 ) vorgesehenen Dichtung (32) abgedichtet ist, dass Medium (Μ') aus dem ersten Zylinderinnenraum (300) durch jenen ersten Spalt (S) in den Innenraum (100) des Gehäuses (1 ) gelangt und den Läufer (20) umströmt, wobei die
Permanentmagnete (P) zum Schutz vor jenem Medium (Μ'), insbesondere zum Schutz vor einer Hydrierung bei einem Medium (Μ') in Form von Wasserstoff, mit einer Beschichtung (B) versehen sind. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Permamentmagnete (P) eine Legierung umfassend Neodym, Eisen und Bor aufweisen, insbesondere mit der Zusammensetzung Nd2Fe14B.
Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beschichtung (B) eine der folgenden Beschichtungen ist:
eine Nickel-Kupfer-Nickel-Beschichtung, wobei insbesondere die
Beschichtung zumindest eine Schicht Nickel, gefolgt von einer Schicht Kupfer, gefolgt von einer Schicht Nickel aufweist, und wobei insbesondere die Gesamtschichtstärke der Beschichtung im Bereich zwischen 3 μηη bis 500 pm liegt,
eine Beschichtung aufweisend Aluminiumoxid, Wolfram, Molybdän, Gold, Platin, Chrom, Cadmium, Zinn, Aluminium, Silikate aus Wolfram und Molybdän, oder Nickel-Aluminium-Verbindungen, oder
eine Beschichtung aufweisend zumindest ein Oxid des
Permanentmagnetematerials, wobei diese Beschichtung vorzugsweise hergestellt wird, indem die Permantmagnete mit Sauerstoff in Kontakt gebracht werden.
Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (100) über eine erste Leckagerückleitung (51 ) in Fluidverbindung mit einer Zuleitung (61 ) zum Einlass (41 ) am ersten Zylinderkopf (40) steht, so dass der Innenraum (100) mit einem Druck beaufschlagt ist, der dem Druck in jener Zuleitung (61 ) entspricht, wobei insbesondere jene erste Leckagerückleitung (51 ) von einem ersten Endabschnitt (100a) des Innenraumes (100) abzweigt, wobei insbesondere der erste
Zylinderinnenraum (300) von jenem ersten Endabschitt (100a) des Innenraumes (100) abgeht.
Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenverdichter (1 ) weiterhin aufweist:
- einen mit dem Gehäuse (11 ) verbundenen zweiten Zylinder (70), der einen zweiten Zylinderinnenraum (700) definiert, der von jenem Innenraum (100) abgeht, sowie - einen zweiten Zylinderkopf (80) des zweiten Zylinders (70), wobei der zweite Zylinderkopf (80) einen Einlass (81 ) aufweist, über den das Medium (M) in den zweiten Zylinderinnenraum (700) einleitbar ist, sowie einen Auslass (82), über den verdichtetes Medium (M) aus jenem zweiten Zylinderinnenraum (700) ausgebbar ist, und
- einen in den zweiten Zylinderinnenraum (700) hineinragenden, entlang der Längsachse (L) erstreckten zweiten Kolben (71 ), der mit dem Läufer (20) gekoppelt ist, so dass der zweite Kolben (71 ) vom Läufer (20) mitgenommen und entlang der Längsachse (L) hin- und her bewegt wird, wobei der zweite Kolben (71 ) dazu ausgebildet ist, im zweiten Zylinderinnenraum (700) befindliches Medium (M) bei einer Bewegung des zweiten Kolbens (71 ) zum zweiten Zylinderkopf (80) hin zu verdichten, und wobei insbesondere ein umlaufender zweiter Spalt (S') zwischen dem zweiten Kolben (71 ) und einer dem zweiten Kolben (71 ) zugewandten Innenseite (700a) des zweiten Zylinders (70) so mit zumindest einer am zweiten Kolben (71 ) vorgesehenen Dichtung (72) abgedichtet ist, dass Medium (Μ') aus dem zweiten Zylinderinnenraum (700) durch jenen zweiten Spalt (S') in den Innenraum (100) des Gehäuses (1 1 ) gelangt und den Läufer (20) umströmt.
Kolbenverdichter nach den Ansprüchen 4 und 5, daduch gekennzeichnet, dass der Innenraum (100) über eine zweite Leckagerückleitung (52) in Fluidverbindung mit der Zuleitung (61 ) des Einlasses (41 ) am ersten Zylinderkopf (40) steht, wobei insbesondere jene zweite Leckagerückleitung (52) von einem zweiten
Endabschnitt (100b) des Innenraumes (100) abzweigt, wobei insbesondere der zweite Zylinderinnenraum (700) von jenem zweiten Endabschitt (100b) des Innenraumes (100) abgeht.
Kolbenverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Positionserfassungsmittel (90) zur Erfassung der Position des ersten und/oder zweiten Kolbens (31 , 71 ) vorgesehen ist, wobei insbesondere jenes Positionserfassungsmittel (90) einen mit dem ersten oder dem zweiten Kolben (31 , 71 ) gekoppelten Weggeber (91 ) aufweist, der dazu
ausgebildet ist, ein erstes Magnetfeld zu erzeugen und bei jener Hin- und
Herbewegung des Läufers (20) entlang eines im Innenraum (100) entlang der Längsachse (L) verlaufenden Messelementes (92) bewegt zu werden, das einen magnetischen, elastisch verformbaren Körper aufweist, wobei das Positionserfassungsmittel (90) dazu ausgebildet ist, ein zweites Magnetfeld um das Messelement (92) durch Anlegen eines Stromsignals am zweiten
Messelement (92) zu erzeugen, so dass aufgrund einer Wechselwirkung der beiden Magnetfelder eine Torsionswelle in dem elastisch verformbaren Körper erzeugt wird, wobei das Positionserfassungsmittel (90) dazu ausgebildet ist, jene Torsionswelle zu detektieren und anhand einer Zeitdifferenz zwischen dem Anlegen des Stromsignals und der Detektion der Torsionswelle die besagte Position zu bestimmen.
Verfahren zum Verdichten eines tiefkalten, fluiden Mediums, insbesondere in Form von Wasserstoff, unter Verwendung eines Kolbenverdichters (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Medium (M) zumindest in der ersten Zylinderkammer (300) mittels des ersten Kolbens (31 ) verdichtet wird, wobei ein Teil des Mediums (Μ') durch jenen ersten Spalt (S) in den Innenraum (100) des Gehäuses ( 1 ) gelangt und den Läufer (20) umströmt, wobei insbesondere die Permanentmagnete (P) vor jenem Medium (Μ') durch die Beschichtung (B) der Permantmagnete (P) geschützt werden, insbesondere vor einer Hydrierung bei einem Medium (Μ') in Form von Wasserstoff.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten
Zylinderinnenraum (300) verdichtetes Medium (M) aus dem ersten
Zylinderinnenraum (300) ausgegeben wird und im zweiten Zylinderinnenraum (700) mittels des zweiten Kolbens (71 ) nochmalig verdichtet wird, wobei insbesondere ein Teil des Mediums (Μ') aus der zweiten Zylinderkammer (700) über den zweiten Spalt (S') in den Innenraum (100) des Gehäuses ( 1 ) gelangt und den Läufer (20) umströmt.
0. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den
Innenraum (100) gelangtes Medium (Μ') über die erste Leckagerückleitung (51 ) und/oder die zweite Leckagerückleitung (52) zum Einlass (41 ) am ersten
Zylinderkopf (40) zurückgeführt wird.
1. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Läufers (20), des ersten und/oder des zweiten Kolbens (31 , 71 ) erfasst wird, und dass insbesondere der Hub des ersten und/oder des zweiten Kolbens (31 , 71 ) so geregelt wird, dass der Totraum im ersten und/oder zweiten Zylinderinnenraum (300, 700) verkleinert wird. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (M) in flüssiger Form dem Kolbenverdichter (1 ) zugeführt wird und vor dem Einleiten in den ersten Zylinderinnenraum (300) in den gasförmigen Zustand überführt wird, wobei insbesondere zum Verdampfen des Mediums
Umgebungswärme und/oder Abwärme des Linearmotors (10) verwendet wird.
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