EP3245401A1 - Fluidenergiemaschine, verfahren zur erzeugung eines fluid- volumenstroms und/oder zur komprimierung eines fluids sowie verfahren zur betankung eines fahrzeugs - Google Patents

Fluidenergiemaschine, verfahren zur erzeugung eines fluid- volumenstroms und/oder zur komprimierung eines fluids sowie verfahren zur betankung eines fahrzeugs

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Publication number
EP3245401A1
EP3245401A1 EP16700283.1A EP16700283A EP3245401A1 EP 3245401 A1 EP3245401 A1 EP 3245401A1 EP 16700283 A EP16700283 A EP 16700283A EP 3245401 A1 EP3245401 A1 EP 3245401A1
Authority
EP
European Patent Office
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fluid
energy machine
crank
fluid energy
piston
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16700283.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wilfried-Henning Reese
Tobias Kederer
Martin BRÜCKLMEIER
Simon Schäfer
Michael WESTERMEIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP3245401A1 publication Critical patent/EP3245401A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/04—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B15/00—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts
    • F04B15/06—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts for liquids near their boiling point, e.g. under subnormal pressure
    • F04B15/08—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts for liquids near their boiling point, e.g. under subnormal pressure the liquids having low boiling points
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B17/03—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections
    • F04B53/148—Pistons, piston-rods or piston-rod connections the piston being provided with channels which are coacting with the cylinder and are used as a distribution member for another piston-cylinder unit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B9/00—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members
    • F04B9/02—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being mechanical
    • F04B9/04—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being mechanical the means being cams, eccentrics or pin-and-slot mechanisms
    • F04B9/045—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being mechanical the means being cams, eccentrics or pin-and-slot mechanisms the means being eccentrics

Definitions

  • Fluid energy machine method for generating a fluid volume flow and / or for compressing a fluid and method for refueling a vehicle
  • the present invention relates to a fluid energy machine and to a method for generating a fluid volume flow and for compressing a fluid by means of the fluid energy machine according to the invention. Furthermore, the present invention relates to a method for refueling a vehicle with a fluid below
  • cryopumps For fueling facilities such as motor vehicles with hydrogen, which may be present in liquid form, so-called cryopumps are known, which are suitable to promote a fluid in the low temperature range.
  • a pump is known, which is designed in particular for cryogenic media.
  • This pump comprises a piston-cylinder unit which is adapted to convey and / or compress very cold fluids, such as hydrogen.
  • Such pumps are usually operated with a hydraulic drive.
  • Other conventional cryogenic pumping devices comprise a rotary drive instead of the hydraulic drive, in which case in particular the connection of an electric motor to a crank drive, which in turn is coupled to the piston of the piston-cylinder unit, has proven itself.
  • the hydraulic drive for the cryogenic pumping device usually requires a relatively large volume for housing additional units and a cooling device and a reservoir for the hydraulic fluid. Furthermore, a pump device with hydraulic drive in the installation and maintenance as well as for the measuring equipment to be installed for measuring distance in the hydraulic cylinder is relatively expensive. Usually, a linear displacement measuring system is to be arranged for this purpose. In order to avoid impermissible peak values of the volume flow to be generated, a sine-like acceleration curve of the piston is provided in the pump device adjust. When using a hydraulic drive device is the
  • the invention is therefore based on the object to provide a fluid energy machine and a method for generating a fluid volume flow and / or for the compression of a fluid with which in a simple, inexpensive and reliable and low-maintenance manner, a fluid such as gaseous hydrogen , Compressible, and a fluid, which here may be gaseous or liquid hydrogen, is conveyed.
  • a fluid such as gaseous hydrogen , Compressible, and a fluid, which here may be gaseous or liquid hydrogen, is conveyed.
  • the underlying object is to provide a method for refueling a vehicle with a fluid as well as a use of the fluid energy machine according to the invention.
  • a fluid energy machine according to claim 1 and a method for generating a fluid volume flow and / or for compressing a fluid according to claim 9 are provided.
  • Advantageous embodiments of Fluid energy machine according to the invention are specified in the subclaims 1 to 8.
  • the fluid energy machine comprises a crank drive and a drive device mechanically connected to the crank drive, with which a torque can be introduced into the crank drive. Furthermore, the fluid energy machine comprises a piston-cylinder unit whose piston is mechanically connected to the crank mechanism. It is inventively provided that the drive device comprises two electric motors whose respective output members are mechanically connected to the crank mechanism. Furthermore, it is provided that the piston-cylinder unit comprises only one piston and only one cylinder.
  • the electric motors hereinafter also referred to as motors for short, are rotatory motors, whereby the arrangement of more than two motors should not be excluded.
  • the drive device thus comprises at least two motors. The torques of these engines or the
  • crank Drive means are applied to the crank mechanism, in particular on the crank, so as to actuate the crank mechanism and to realize a displacement of the piston of the piston-cylinder unit.
  • the respective torque of a motor on the output member, such as at the shaft journal removed.
  • the mechanical connection of the piston with the crank mechanism is realized in that the piston is mechanically connected to the connecting rod or coupling of the crank mechanism.
  • the crank mechanism preferably comprises only one crank and a coupling or connecting rod connected thereto, wherein the at least two motors arranged according to the invention apply their respective torque to this one crank.
  • two parallel cranks and coupling are present, so that each of the two motors acts on a respective crank drive.
  • Crank drives are connected to the piston.
  • the fluid energy machine according to the invention is a cryogenic pump, for the purpose of generating a fluid volume flow and for the purpose of compressing a fluid.
  • this pump or this compressor can be a volume flow of liquid or gaseous hydrogen generate and the compression gaseous
  • Fluid energy machine set up so that the fluid to a pressure of 50 to 1000 bar, in particular to 350 to 500 bar or 700 bar can be compressed.
  • all inventively arranged motors are electric motors, but also the application of hydraulic motors should not be excluded.
  • the mechanical coupling of the motors to the crank mechanism is preferably realized on the crank of the crank mechanism, so that the respective engine torque is introduced into the crank.
  • This crank can also be configured as an eccentric disc.
  • the mechanical connection of the two motors to the crank can in particular be realized on both sides of the plane of movement of the crank of the crank mechanism, for
  • shafts between the motors and the crank mechanism for transmitting the torque are arranged coaxially.
  • An advantage of the fluid energy machine according to the invention is that it operates despite slow speeds of the shaft from 1 to 600 revolutions per minute (rpm) and still can achieve the necessary high pressures. Despite the slow speeds, a high torque in the range of 1000 to 4000 Nm can be achieved via the electric motors.
  • the force exerted on the piston rod is 20 to 15 kN.
  • the output member of at least one electric motor is coupled by means of a shaft directly to the crank of the crank mechanism. That is, for example, the motor journal of an engine is connected to a shaft which is mechanically connected directly to the crank.
  • Fluid energy machine is provided that between a driven member of at least one electric motor and the crank of the crank mechanism, a transmission, in particular a spur gear, for over or reduction of the torque generated by the electric motor is arranged. It is in this embodiment variant a
  • crank mechanism comprises two drive shafts, so that in each case a transmission is arranged between a motor and a drive shaft. It should not be excluded the embodiment of the invention that one of the motors directly with the Crank drive is mechanically connected and the other or another motor indirectly, namely via a transmission, is connected to the crank mechanism.
  • the crank mechanism should comprise a connecting rod which is mechanically connected to the piston of the piston-cylinder unit, such as via a joint.
  • This connecting rod to be designated as a connecting rod is preferably pivotally connected to the piston and also pivotally connected to the crank.
  • the bearings can be dimensioned correspondingly smaller, or the waves can be run with a smaller diameter.
  • the shaft In a preferred embodiment of the fluid energy machine, the shaft
  • the entire fluid energy machine has a relatively low volume requirement.
  • Hydrogen the liquid to be transported and compressed to be provided in liquid state, wherein the hydrogen is supplied to the piston-cylinder unit and the electric motors of the fluid energy machine are operated, so that the piston of the piston-cylinder unit is displaced and so on
  • Vehicle used with liquid or gaseous hydrogen In this case, either liquefied hydrogen is conveyed into a vehicle to be refueled, wherein only a volume flow is generated, or even gaseous hydrogen, which in this process embodiment simultaneously generating a
  • volumetric flow and compression of the gas can be done.
  • the fluid energy machine is designed as a two-stage piston engine and in the first stage there is a pre-compression of the hydrogen and in the second stage, the compression to the system pressure.
  • the pressure is advantageously increased by 4 to 12 bar during precompression.
  • the system pressure is preferably between 50 and 1000 bar, in particular between 350 and 500 bar.
  • the two stages are designed such that the precompression or precharge occurs when the piston is moved upwards, ie in the direction of the drive device.
  • the pressure increase takes place from the first stage to the system pressure.
  • the system pressure is limited by the maximum pump outlet pressure.
  • Fluid energiemaschine the flow rate of hydrogen of the fluid energy machine on the frequency of the electric motors is set and this is between 0 and 250 kg / h and in particular between 30 to 200 kg / h.
  • FIG. 1 shows a fluid energy machine according to the invention in a first embodiment
  • FIG. 2 shows a fluid energy machine according to the invention in a second embodiment.
  • the embodiments shown in FIGS. 1 and 2 differ in that, in the variant according to FIG. 1, the motors are connected directly to the crank mechanism and in variant 2 according to FIG. 2 transmissions are provided between the motors and the crank mechanism.
  • Both variants include a drive device 10, which is realized in the illustrated embodiments by a first motor 50 and a second motor 60. Both motors are designed as electric motors. To both motors 50, 60 is a respective speed sensor 53, 63 for adjusting the engine speed
  • crank drive 20 which has a crank 21, shown here with two eccentric disks, and a connecting rod 22 or coupling coupled to the crank 21 or to the two eccentric disks via a first joint 23.
  • a piston-cylinder unit 30 is provided which has a piston 32 which can be displaced there in a cylinder 31.
  • the connecting rod 22 or coupling of the crank mechanism 20 is connected via a second joint 24 to the piston 32 of the piston-cylinder unit 30.
  • the first motor 50 includes a first output member 51 and the second motor 60 includes a second output member 61. These output members 51, 61 are, for example, the shaft journals of the motors 50, 60.
  • the respective output member 50, 60 is connected to a shaft, so that first output member 51 to a first shaft 52nd
  • the first shaft 52 and the second shaft 62 are connected directly to the crank 21 of the crank mechanism 20 so that a torque generated by the respective motor 50, 60 via the output member 51, 61 on the shaft arranged thereon 52, 62 is applied and from this shaft 52, 62 on the Crank 21 of the crank mechanism 20 is applied, so that by the crank mechanism 20, the described stroke movement of the piston 32 can be performed.
  • the first shaft 52 is connected to a first gear 70 having a first driving spur gear 71 on the first shaft 52 which meshes with a first driven spur gear 72 which is seated on a first output shaft 73. which is firmly connected to the crank 21 of the crank mechanism 20.
  • the invention is not limited to shown in Fig. 2 embodiment with symmetrical arrangement of gear members, but it may alternatively be provided to dispose different gear between the motors 50, 60 and the crank mechanism 20 and possibly also couplings between the respective engine 50, 60 and the crank drive 20 to order if necessary, a drive train on or disengage and thereby demand to provide a torque available.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Fluid-Volumenstroms und zur Komprimierung eines Fluids mittels der erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs mit einem Fluid unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Fluid- Volumenstroms und zur Komprimierung eines Fluids, sowie die Verwendung einer erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine zur Betankung eines Kraftfahrzeugs. Die Fluidenergiemaschine umfasst einen Kurbeltrieb (20) und eine mit dem Kurbeltrieb (20) mechanisch verbundene Antriebseinrichtung (10), mit der ein Drehmoment in den Kurbeltrieb (20) einleitbar ist, sowie eine Kolben-Zylinder-Einheit (30), deren Kolben (32) mechanisch mit dem Kurbeltrieb (20) verbunden ist. Die Antriebseinrichtung (10) umfasst zwei Elektromotoren (50,60), deren jeweilige Abtriebsglieder (51,61) mit dem Kurbeltrieb (20) mechanisch verbunden sind.

Description

Beschreibung
Fluidenergiemaschine, Verfahren zur Erzeugung eines Fluid-Volumenstroms und/oder zur Komprimierung eines Fluids sowie Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidenergiemaschine sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Fluid-Volumenstroms und zur Komprimierung eines Fluids mittels der erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs mit einem Fluid unter
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Fluid- Volumenstroms und zur Komprimierung eines Fluids, sowie die Verwendung einer erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine zur Betankung eines Kraftfahrzeugs.
Zur Betankung von Einrichtungen wie zum Beispiel Kraftfahrzeugen mit Wasserstoff, der dabei in flüssiger Form vorliegen kann, sind sogenannte Kryo-Pumpen bekannt, die geeignet sind, im Tieftemperaturbereich ein Fluid zu fördern. Aus der DE102007035616A1 ist eine Pumpe bekannt, die insbesondere für kryogene Medien ausgestaltet ist. Diese Pumpe umfasst eine Kolben-Zylinder-Einheit, die dazu eingerichtet ist, sehr kalte Fluide, wie zum Beispiel Wasserstoff, zu fördern und/oder zu komprimieren. Derartige Pumpen werden üblicherweise mit einem hydraulischen Antrieb betrieben. Andere herkömmliche Tieftemperatur-Pumpeinrichtungen umfassen statt des hydraulischen Antriebs einen Rotationsantrieb, wobei sich hierbei insbesondere der Anschluss eines Elektromotors an einen Kurbeltrieb, der wiederum an den Kolben der Kolben-Zylinder-Einheit gekoppelt ist, bewährt hat.
Der hydraulische Antrieb für die Tieftemperatur-Pumpeinrichtung bedingt üblicherweise ein relativ großes Bauvolumen zur Unterbringung von Zusatzaggregaten sowie einer Kühleinrichtung und ein Reservoir für die Hydraulikflüssigkeit. Des Weiteren ist eine Pumpeinrichtung mit hydraulischem Antrieb in der Installation und Wartung sowie auch für die zu installierende Messtechnik zur Wegmessung im Hydraulikzylinder relativ kostenaufwendig. Üblicherweise ist dafür ein lineares Weg-Mess-System anzuordnen. Um unzulässige Spitzenwerte des zu erzeugenden Volumenstroms zu vermeiden, ist in der Pumpeinrichtung ein Sinus-ähnlicher Beschleunigungsverlauf des Kolbens einzustellen. Bei Anwendung einer hydraulischen Antriebseinrichtung ist die
Realisierung eines entsprechenden Beschleunigung-Verlaufs mit einem erhöhten Aufwand hinsichtlich der notwendigen Regelung sowie der dafür zu installierenden Regelungstechnik verbunden. Weiterhin lassen sich mit hydraulischen
Antriebseinrichtungen üblicherweise nicht mehr Hubbewegungen der Kolben-Zylinder- Einheit als mit einer Frequenz von ca. 2 Hz realisieren.
In der Ausgestaltungsvariante mit elektromotorischem Antrieb in Kombination mit einem Kurbeltrieb begrenzen die maximalen, frequenzabhängigen Nenndrehmomente der handelsüblichen Elektromotoren die maximale Förderleistung der Pumpeinrichtung hinsichtlich der erreichbaren Durchflussrate als auch des erreichbaren Förderdrucks. Bei angestrebter hoher Durchflussrate sowie hohem Förderdruck sind entsprechende Frequenzen der Hubbewegungen sowie auch Kräfte bzw. Momente vom Elektromotor auf den Kurbeltrieb aufzubringen. Das bedeutet, dass entsprechende Gegenkräfte auf den Elektromotor bzw. auf dessen Lagerung und/oder auf die Lagerung eines Momentübertragenden Maschinenelements zwischen dem Elektromotor und dem Kurbeltrieb wirken. Die Stabilität der Lagerstellen ist dem anzupassen, wenn sie nicht einem entsprechenden Verschleiß ausgesetzt sein sollen, der sich insbesondere dann bemerkbar macht, wenn das Abtriebsglied des Elektromotors im Wesentlichen koaxial zur Drehachse des Kurbeltriebs angeordnet ist und fest mit diesem Kurbeltrieb verbunden ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fluidenergiemaschine sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Fluid-Volumenstroms und/oder zur Komprimierung eines Fluids zur Verfügung zu stellen, mit denen in einfacher, kostengünstiger sowie zuverlässiger und wartungsarmer Weise ein Fluid, wie zum Beispiel gasförmiger Wasserstoff, komprimierbar ist, und ein Fluid, welches hier gasförmiger oder flüssiger Wasserstoff sein kann, förderbar ist. Weitere Aspekte der der Erfindung
zugrundeliegenden Aufgabe sind es, ein Verfahren zur Betankung eines Fahrzeugs mit einem Fluid sowie eine Verwendung der erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Fluidenergiemaschine nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Fluid-Volumenstroms und/oder zur Komprimierung eines Fluids nach Anspruch 9 zur Verfügung gestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine sind in den Unteransprüchen 1 bis 8 angegeben.
Die erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine umfasst einen Kurbeltrieb und eine mit dem Kurbeltrieb mechanisch verbundene Antriebseinrichtung, mit der ein Drehmoment in den Kurbeltrieb einleitbar ist. Des Weiteren umfasst die Fluidenergiemaschine eine Kolben-Zylinder-Einheit, deren Kolben mechanisch mit dem Kurbeltrieb verbunden ist. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung zwei Elektromotoren umfasst, deren jeweiligen Abtriebsglieder mit dem Kurbeltrieb mechanisch verbunden sind. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Kolben-Zylinder-Einheit nur einen Kolben und nur einen Zylinder umfasst. Die Elektromotoren, im Folgenden auch kurz als Motoren bezeichnet, sind dabei rotatorische Motoren, wobei auch die Anordnung von mehr als zwei Motoren nicht ausgeschlossen sein soll. Die Antriebseinrichtung umfasst somit wenigstens zwei Motoren. Die Drehmomente dieser Motoren bzw. der
Antriebseinrichtung werden auf den Kurbeltrieb aufgebracht, insbesondere auf dessen Kurbel, um derart den Kurbeltrieb zu betätigen und eine Verschiebung des Kolbens der Kolben-Zylinder-Einheit zu realisieren. Dabei wird das jeweilige Drehmoment eines Motors an dessen Abtriebsglied, wie zum Beispiel an dessen Wellenzapfen, abgenommen. Die mechanische Verbindung des Kolbens mit dem Kurbeltrieb ist dadurch realisiert, dass der Kolben mechanisch mit dem Pleuel bzw. Koppel des Kurbeltriebs verbunden ist.
Der Kurbeltrieb umfasst bevorzugt nur eine Kurbel und ein daran angeschlossenes Koppel bzw. Pleuel, wobei die wenigstens zwei erfindungsgemäß angeordneten Motoren ihr jeweiliges Drehmoment auf diese eine Kurbel aufbringen.
In alternativer Ausgestaltung sind zwei parallel angeordnete Kurbeln und Koppeln vorhanden, sodass jeder der beiden Motoren auf je einen Kurbeltrieb wirkt. Die
Kurbeltriebe sind an den Kolben angeschlossen.
Die erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine ist eine Tieftemperatur-Pumpe, zwecks Erzeugung eines Fluid-Volumenstroms sein und zwecks Komprimierung eines Fluids. Mit dieser Pumpe oder diesem Kompressor lässt sich ein Volumenstrom flüssigen oder gasförmigen Wasserstoffs erzeugen sowie die Komprimierung gasförmigen
Wasserstoffs realisieren. Bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die
Fluidenergiemaschine so eingerichtet, dass das Fluid auf einen Druck von 50 bis 1000 bar, insbesondere auf 350 bis 500 bar oder 700 bar komprimiert werden kann. Vorzugsweise sind alle erfindungsgemäß angeordnete Motoren Elektromotoren, wobei jedoch auch die Anwendung von Hydraulikmotoren nicht ausgeschlossen werden soll.
Die mechanische Kopplung der Motoren an den Kurbeltrieb ist vorzugsweise an der Kurbel des Kurbeltriebs realisiert, sodass das jeweilige Motordrehmoment in die Kurbel eingeleitet wird. Diese Kurbel kann auch als Exzenterscheibe ausgestaltet sein. Der mechanische Anschluss der beiden Motoren an die Kurbel kann insbesondere beidseitig der Bewegungsebene der Kurbel des Kurbeltriebs realisiert sein, zum
Beispiel durch zwei parallel angeordnete Exzenterscheiben, die jeweils eine Kurbel ausbilden, die mit einer Koppel bzw. einem Pleuel verbunden sind. Dabei sind Wellen zwischen den Motoren und dem Kurbeltrieb zur Übertragung des Drehmoments koaxial angeordnet.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine liegt darin, dass sie trotz langsamer Drehzahlen der Welle von 1 bis 600 Umdrehungen pro Minute (rpm) arbeitet und trotzdem die notwendigen hohen Drücke erzielen kann. Trotz der langsamen Drehzahlen kann über die Elektromotoren ein hohes Drehmoment im Bereich von 1000 bis 4000 Nm erzielt werden. Die dadurch auf die Kolbenstange ausgeübte Kraft liegt bei 20 bis 15 kN. In einer ersten Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine ist das Abtriebsglied wenigstens eines Elektromotors mittels einer Welle direkt mit der Kurbel des Kurbeltriebs gekoppelt. Das heißt, dass zum Beispiel der Motorzapfen eines Motors an eine Welle angeschlossen ist, die direkt mit der Kurbel mechanisch verbunden ist.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen
Fluidenergiemaschine ist vorgesehen, dass zwischen einem Abtriebsglied wenigstens eines Elektromotors und der Kurbel des Kurbeltriebs ein Getriebe, insbesondere ein Stirnradgetriebe, zur Über- oder Untersetzung des von dem Elektromotor erzeugten Drehmoments angeordnet ist. Es ist in dieser Ausgestaltungsvariante eine
symmetrische Anordnung bevorzugt, sodass an beiden Motoren jeweils ein Getriebe angeschlossen ist, was wiederum mit dem Kurbeltrieb verbunden ist. Vorzugsweise umfasst der Kurbeltrieb zwei Antriebswellen, sodass jeweils zwischen einem Motor und einer Antriebswelle ein Getriebe angeordnet ist. Es soll dabei nicht die Ausgestaltung von der Erfindung ausgeschlossen sein, dass einer der Motoren direkt mit dem Kurbeltrieb mechanisch verbunden ist und der andere oder ein weiterer Motor indirekt, nämlich über ein Getriebe, mit dem Kurbeltrieb verbunden ist.
Vorzugsweise sollte der Kurbeltrieb ein Pleuel umfassen, welches mit dem Kolben der Kolben-Zylinder-Einheit mechanisch, wie zum Beispiel über ein Gelenk, verbunden ist. Dieses auch als Koppel zu bezeichnende Pleuel ist vorzugsweise drehgelenkig an den Kolben sowie auch drehgelenkig an die Kurbel angeschlossen.
Durch den Anschluss von zwei Motoren an den Kurbeltrieb wird eine symmetrische Belastung sowie eine Verteilung der Gegen-Kräfte bzw. Gegenmomente auf die beiden Motoren bzw. deren Antriebswellen erreicht, wodurch insgesamt die Belastung und/oder der Verschleiß an der Antriebseinrichtung bzw. dem Kurbeltrieb gemindert werden kann. Die Lager lassen sich entsprechend kleiner dimensionieren, bzw. die Wellen lassen sich mit geringerem Durchmesser ausführen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Fluidenergiemaschine ist die Welle
kugelgelagert. Dies wird unter anderem durch die geringen Drehzahlen ermöglicht. Die gesamte Fluidenergiemaschine weist einen relativ geringen Volumenbedarf auf.
Zudem lassen sich herkömmliche, handelsübliche Elektromotoren mit einem
vergleichbar geringen Nenndrehmoment bzw. geringer Drehzahl auch zur Realisierung der höheren Druck- und Durchflussraten, wie sie z.B. an einer Wasserstofftankstelle benötigt werden, einsetzen. Bei dem Verfahren zur Verwendung einer erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine, zur Erzeugung eines Wasserstoff-Volumenstroms und zur Komprimierung von
Wasserstoff, wird der zu transportierende und zu komprimierend Wasserstoff in flüssigem Zustand bereit gestellt, wobei der Wasserstoff der Kolben-Zylinder-Einheit zugeleitet wird und die Elektromotoren der Fluidenergiemaschine betrieben werden, so dass der Kolben der Kolben-Zylinder-Einheit verschoben wird und derart ein
Wasserstoff-Volumenstrom erzeugt und der Wasserstoff komprimiert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise zur Betankung eines
Fahrzeugs mit flüssigem oder gasförmigem Wasserstoff verwendet. Dabei wird entweder verflüssigter Wasserstoff in ein zu betankendes Fahrzeug gefördert, wobei lediglich ein Volumenstrom erzeugt wird, oder aber auch gasförmiger Wasserstoff, wobei in dieser Verfahrensausgestaltung gleichzeitig die Erzeugung eines
Volumenstroms sowie auch eine Kompression des Gases erfolgen kann. Bevorzugt ist die Fluidenergiemaschine als zweistufige Kolbenmaschine ausgeführt und in der ersten Stufe erfolgt eine Vorkomprimierung des Wasserstoff und in der zweiten Stufe die Komprimierung auf den Systemdruck.
Hierbei wird vorteilhafterweise bei der Vorkomprimierung der Druck um 4 bis 12 bar erhöht. Der Systemdruck ist bevorzugt zwischen 50 und 1000 bar, insbesondere zwischen 350 und 500 bar.
Die zwei Stufen sind so ausgeführt, dass die Vorkomprimierung oder Vorladung dann geschieht, wenn der Kolben aufwärts, also in Richtung der Antriebseinrichtung, bewegt wird. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens, also wenn sich der Kolben in Richtung der Auslasseinrichtung bewegt, erfolgt die Druckerhöhung ausgehend vom Vordruck der ersten Stufe auf den Systemdruck. Der Systemdruck ist begrenzt durch den maximalen Pumpenausgangsdruck.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verwendung der beschriebenen
Fluidenergiemaschine wird die Fördermenge an Wasserstoff der Fluidenergiemaschine über die Frequenz der Elektromotoren eingestellt und diese liegt zwischen 0 und 250 kg/h und insbesondere zwischen 30 bis 200 kg/h.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine in einer ersten Ausführung, Fig. 2: eine erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine in einer zweiten Ausführung. Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungen unterscheiden sich darin, dass in der Variante gemäß Fig. 1 die Motoren direkt mit dem Kurbeltrieb verbunden sind und in Variante 2 gemäß Fig. 2 Getriebe zwischen den Motoren und dem Kurbeltrieb vorgesehen sind. Zur Beschreibung der in beiden Ausführungen vorhandenen Merkmale wird zunächst auf beide Figuren Bezug genommen.
Beide Varianten umfassen eine Antriebseinrichtung 10, die in den dargestellten Ausführungsbeispielen durch einen ersten Motor 50 sowie einen zweiten Motor 60 realisiert ist. Beide Motoren sind als Elektromotoren ausgeführt. An beide Motoren 50, 60 ist jeweils ein Drehzahlgeber 53, 63 zur Einstellung der Motordrehzahl
angeschlossen. In beiden Ausführungen der Fluidenergiemaschine ist ein Kurbeltrieb 20 vorgesehen, der eine Kurbel 21 , hier dargestellt mit zwei Exzenterscheiben, sowie ein mit der Kurbel 21 bzw. mit deren zwei Exzenterscheiben über ein erstes Gelenk 23 gekoppeltes Pleuel 22 bzw. Koppel aufweist. Des Weiteren ist in beiden Ausführungen eine Kolben-Zylinder-Einheit 30 vorgesehen, die in einem Zylinder 31 einen dort verschiebbaren Kolben 32 aufweist. Das Pleuel 22 bzw. Koppel des Kurbeltriebs 20 ist über ein zweites Gelenk 24 an den Kolben 32 der Kolben-Zylinder-Einheit 30 angeschlossen. Bei Rotation der Kurbel 21 erfolgt eine typische
Kombinationsbewegung aus Rotation und Translation des Pleuels 22 , welche den Kolben 32, dessen Kolbenstange ist beidseitig durch hier nicht dargestellte Lager, die jeweils ein Schubgelenk ausbilden, gelagert, die Querkräfte aufnehmen und den Zwangslauf des Kolbens 32 im Zylinder 31 in Form einer Kolben-Hubbewegung bewirken.
An dem Zylinder 31 der Kolben-Zylinder-Einheit 30 ist eine Einlasseinrichtung 33 zur Zuführung eines Fluids 40 in den Zylinder 31 sowie eine Auslasseinrichtung 34 zur Ableitung des im Zylinder 31 befindlichen, ggf. komprimierten, Fluids 40 vorgesehen. Der erste Motor 50 umfasst ein erstes Abtriebsglied 51 und der zweite Motor 60 umfasst ein zweites Abtriebsglied 61. Diese Abtriebsglieder 51 , 61 sind zum Beispiel die Wellenzapfen der Motoren 50, 60. Das jeweilige Abtriebsglied 50, 60 ist mit einer Welle verbunden, sodass das erste Abtriebsglied 51 an eine erste Welle 52
angeschlossen ist und das zweite Abtriebsglied 61 an eine zweite Welle 62
angeschlossen ist.
In der in Fig. 1 dargestellten Ausführung sind die erste Welle 52 sowie auch die zweite Welle 62 direkt an die Kurbel 21 des Kurbeltriebs 20 angeschlossen, sodass ein vom jeweiligen Motor 50, 60 erzeugtes Drehmoment über das Abtriebsglied 51 , 61 auf die daran angeordnete Welle 52, 62 aufgebracht wird und von dieser Welle 52, 62 auf die Kurbel 21 des Kurbeltriebs 20 aufgebracht wird, sodass durch den Kurbeltrieb 20 die beschriebene Hubbewegung des Kolbens 32 ausgeführt werden kann.
In der in Fig. 2 dargestellten Ausführung ist die erste Welle 52 an ein erstes Getriebe 70 angeschlossen, welches ein erstes antreibendes Stirnrad 71 auf der ersten Welle 52 aufweist, welches mit einem ersten angetriebenen Stirnrad 72 kämmt, das auf einer ersten Abtriebswelle 73 sitzt, welche fest an die Kurbel 21 des Kurbeltriebs 20 angeschlossen ist.
In entsprechender Weise sitzt auf der zweiten Welle 62 ein zweites antreibendes Stirnrad 81 , welches mit einem zweiten angetriebenen Stirnrad 82 kämmt, welches wiederum auf einer zweiten Abtriebswelle 83 sitzt, die fest an die Kurbel 21 des Kurbeltriebs 20 angeschlossen ist. Dadurch lassen sich das Drehmoment sowie die Drehzahl der Motoren 50, 60 über- oder untersetzen, um das vom Kurbeltrieb 20 zu erzeugende Drehmoment zu erhöhen oder auch die Frequenz der Bewegung des Kolbens 32 zu erhöhen.
Die Erfindung ist dabei nicht auf in Fig. 2 dargestellte Ausführung mit symmetrischer Anordnung von Getriebegliedern eingeschränkt, sondern es kann alternativ dazu auch vorgesehen sein, unterschiedliche Getriebe zwischen den Motoren 50, 60 und dem Kurbeltrieb 20 anzuordnen sowie ggf. auch Kupplungen zwischen dem jeweiligen Motor 50, 60 und dem Kurbeltrieb 20 anzuordnen, um ggf. einen Antriebsstrang ein- bzw. auszukuppeln und dadurch bedarfsgerecht ein Drehmoment zur Verfügung zu stellen.
Bezugszeichenliste
Antriebseinrichtung 10
Kurbeltrieb 20
Kurbel 21
Pleuel 22
Erstes Gelenk 23
Zweites Gelenk 24
Kolben-Zylinder-Einheit 30
Zylinder 31
Kolben 32
Einlasseinrichtung 33
Auslasseinrichtung 34
Fluid 40
Erster Motor 50
Erstes Abtriebsglied 51
Erste Welle 52
Erster Drehzahlgeber 53
Zweiter Motor 60
Zweites Abtriebsglied 61
Zweite Welle 62
Zweiter Drehzahlgeber 63
Erstes Getriebe 70
Erstes antreibendes Stirnrad 71
Erstes angetriebenes Stirnrad 72
Erste Abtriebswelle 73
Zweites Getriebe 80
Zweites antreibendes Stirnrad 81
Zweites angetriebenes Stirnrad 82
Zweite Abtriebswelle 83

Claims

Patentansprüche
Fluidenergiemaschine, umfassend einen Kurbeltrieb (20) und eine mit dem Kurbeltrieb (20) mechanisch verbundene Antriebseinrichtung (10), mit der ein Drehmoment in den Kurbeltrieb (20) einleitbar ist, sowie umfassend eine Kolben- Zylinder-Einheit (30), deren Kolben (32) mechanisch mit dem Kurbeltrieb (20) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Antriebseinrichtung (10) zwei Elektromotoren (50,60) umfasst, deren jeweilige Abtriebsglieder (51 ,61) mit dem Kurbeltrieb (20) mechanisch verbunden sind und dass die Kolben-Zylinder-Einheit (30) nur einen Kolben (32) und nur einen Zylinder (31) umfasst.
Fluidenergiemaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidenergiemaschine eine Tieftemperatur- Pumpe, zwecks Erzeugung eines Fluid-Volumenstroms und zwecks Komprimierung eines Fluides (40) ist.
Fluidenergiemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidenergiemaschine so eingerichtet ist, dass das Fluid (40) auf einen Druck von 50 bis 1000 bar, insbesondere auf 350 bis 500 bar oder 700 bar komprimiert werden kann.
Fluidenergiemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Kopplung der Elektromotoren (50,60) an den Kurbeltrieb (20) an der Kurbel (21) des Kurbeltriebs (20) realisiert ist, so dass das Motordrehmoment in die Kurbel (21) eingeleitet wird.
Fluidenergiemaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abtriebsglied (51 ,61) wenigstens eines Elektromotors (50,60) mittels einer Welle (52,62) direkt mit der Kurbel (21) des Kurbeltriebes (20) gekoppelt ist.
Fluidenergiemaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Abtriebsglied (51 ,61) wenigstens eines Elektromotors (50,60) und der Kurbel (21) des Kurbeltriebs (20) ein Getriebe (70,80), insbesondere ein Stirnradgetriebe, zur Über- oder Untersetzung des von dem Elektromotor (50,60) erzeugten Drehmomentes angeordnet ist.
7. Fluidenergiemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kurbeltrieb (20) ein Pleuel (22) umfasst, und der Kolben
(32) mechanisch mit dem Pleuel (22) verbunden ist.
8. Fluidenergiemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Welle kugelgelagert ist.
9. Verfahren zur Verwendung einer Fluidenergiemaschine nach Anspruch 1 bis 8, zur Erzeugung eines Wasserstoff-Volumenstroms und zur Komprimierung von
Wasserstoff (40), wobei der zu transportierende und zu komprimierend
Wasserstoff in flüssigem Zustand bereit gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff (40) der Kolben-Zylinder-Einheit (30) zugeleitet wird und die
Elektromotoren (50, 60) der Fluidenergiemaschine betrieben werden, so dass der Kolben (32) der Kolben-Zylinder-Einheit (30) verschoben wird und derart ein Wasserstoff-Volumenstrom erzeugt und der Wasserstoff (40) komprimiert wird. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der komprimierte
Wasserstoff zur Betankung eines Fahrzeugs mit flüssigem oder gasförmigem Wasserstoff verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidenergiemaschine als zweistufige Kolbenmaschine ausgeführt ist und in der ersten Stufe eine Vorkomprimierung des Wasserstoff erfolgt und in der zweiten Stufe die Komprimierung auf den Systemdruck.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet dass bei der
Vorkomprimierung der Druck um 4 bis 12 bar erhöht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Systemdruck 50 bis 1000 bar, insbesondere 350 bis 500 bar oder 700 bar ist.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass die Fördermenge an Wasserstoff der Fluidenergiemaschine über die Frequenz der Elektromotoren eingestellt wird und diese zwischen 0 und 250 kg/h, insbesondere zwischen 30 bis 200 kg/h liegt.
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