EP3728846A1 - Vorrichtung und verfahren zum verdichten eines arbeitsmediums - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum verdichten eines arbeitsmediums

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EP3728846A1
EP3728846A1 EP19700822.0A EP19700822A EP3728846A1 EP 3728846 A1 EP3728846 A1 EP 3728846A1 EP 19700822 A EP19700822 A EP 19700822A EP 3728846 A1 EP3728846 A1 EP 3728846A1
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EP
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compressor
drive
medium
cylinder
pressure
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Robert Adler
Georg Fahrthofer
Sarah Gruber
Christoph Nagl
Markus Rasch
Markus Stephan
Henning WILLIG
Rene HIMMELSTEIN
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MAXIMATOR GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a device for compacting a
  • Hydraulic pump which has a working space and a pneumatic piston, wherein the pneumatic piston is connected to a hydraulic piston.
  • the hydraulic piston is moved in a hydraulic cylinder, on which a valve housing is pushed, which serves for the connection of hydraulic lines.
  • the operated air-piston compressor having an integrated and coaxial drive piston, a piston for the first stage and a piston for the second stage.
  • the pressure side of the first stage of the compressor is the suction side of the second stage.
  • the compressed air is passed through a heat exchanger after compression in the first stage of the compressor before being further compressed in the second stage.
  • the invention sets the goal to increase the efficiency of the drive of the high-pressure piston. This object is achieved by a device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 8.
  • Working medium has at least the following components:
  • the heat exchanger for a heat exchange between the working medium after the compression in the second
  • the temperature of the drive medium can be increased in the compressed state before the drive piston with the
  • Drive medium is applied in the compressed state.
  • This principle can be applied to different types of compressors, in particular a single- or double-acting,
  • the compressor can also be designed as a piston compressor single or double acting, single stage or two stages.
  • the location and direction indications refer to the flow direction of the drive medium or the working medium in the compressor operation.
  • a closed circuit for the drive medium with a first line from Compressor to the first cylinder and provided with a second line from the first cylinder to the compressor.
  • Air circulation increases the energy efficiency compared to an open reference system without exhaust return.
  • the heat exchanger is preferably designed as a recuperator, wherein the compressed drive medium and the compressed
  • the heat exchanger is designed as a regenerator, wherein a heat storage is provided in a heat exchanger mass.
  • a heat exchanger may be provided, for example, a plate heat exchanger or a tube-in-tube heat exchanger.
  • a plate heat exchanger or a tube-in-tube heat exchanger.
  • various designs of heat exchangers are known with which the heat content of the compressed working medium can be transferred to the compressed drive medium.
  • the compressor is designed to be fully hermetic or semi-hermetic.
  • Hermetic compressor understood a design in which a preferably pressure-tight housing both a
  • “Semi-hermetic” compressor understood a design in which a drive motor with a compressor housing is pressure-tight and releasably connected.
  • an open compressor intended.
  • an open compressor intended.
  • Open compressor understood an embodiment in which protrudes from at least one side of a compressor unit, a shaft journal or other load transfer means, over the
  • Compressor and the closed circuit for the drive medium to set the drive medium at higher pressure than
  • the temperature of the drive medium is lowered during the return from the first cylinder to the compressor. In this way, the temperature of the drive medium after the
  • Working medium can be increased without affecting the temperature
  • the working medium is therefore in
  • a preferred embodiment further provides:
  • a control unit which is connected on the one hand with the temperature measuring element and on the other hand with the radiator to control the radiator in dependence on the temperature of the drive medium in the second conduit.
  • a first buffer memory between the compressor and the heat exchanger and / or a second buffer memory provided between the radiator and the compressor.
  • a spool is provided between the compressor and the first cylinder, which between a first position and a second
  • Switchable position to reciprocate a first volume of the first cylinder relative to a second volume of the first cylinder sealing drive piston by means of the drive medium back and forth. In the first position connects the
  • Control spool the first line with a first volume of the first cylinder and the second line with a second
  • the spool In the second position, the spool connects the first conduit to the second volume of the first cylinder and the second conduit to the first volume of the first cylinder.
  • Working medium has at least the following steps:
  • the method further comprises the step
  • the drive medium in the compressor is compressed from an input pressure to an output pressure, wherein the input pressure is greater than an ambient pressure.
  • the inlet pressure of the drive fluid at the inlet of the compressor is preferably between 0.5 bar and 50 bar, in particular between 2 bar and 30 bar.
  • the output pressure of the drive medium at the outlet of the compressor is preferably between 1 bar and 100 bar, in particular between 5 bar and 40 bar.
  • cooling of the drive medium emerging from the first cylinder is preferably carried out by means of a cooler.
  • the drive medium is preferably different from the working medium.
  • the drive medium is gaseous, wherein as drive medium preferably one of air, nitrogen, CO2, argon or krypton or a mixture thereof is provided.
  • the conventional gas-powered compressors require a large amount of energy to provide the drive power needed to drive the high-pressure piston. Due to the closed circuit of the drive medium on the one hand and the heat transfer from the compressed working fluid to the compressed drive medium on the other hand, the efficiency in the operation of the drive piston can be significantly increased.
  • the working medium is gaseous, with preferably molecular hydrogen being provided as the working medium.
  • the pressure of the working medium is preferably increased from an initial pressure, in particular between 3 bar and 500 bar, to a final pressure, in particular between 100 bar and 1500 bar, in particular between 700 bar and 1000 bar. These values are again to be understood as absolute pressure.
  • Fig. 1 shows an inventive device for compressing a working medium by means of a high pressure piston, wherein a heat transfer from the compressed working fluid to the compressed drive medium for the drive piston is performed.
  • a device 1 for compressing a gaseous working medium, preferably molecular hydrogen, is shown schematically.
  • the device 1 has a compressor 2 for compressing a gaseous drive medium, preferably air.
  • a gaseous drive medium preferably air.
  • the compressor 2 may be designed as a piston or screw compressor.
  • the compressor may have exactly one stage or at least two stages.
  • the compressor 2 increases the pressure of the drive medium from an input pressure at an input 2 a of the compressor 2 to an output pressure at an output 2 b of the compressor 2.
  • the compressed drive medium is used to drive a pressure booster 3.
  • the pressure booster 3 also referred to as a pressure transducer, has a drive piston 4, which is reciprocated within a first cylinder 5 between a first end position and a second end position.
  • the drive medium is directed into the first cylinder 5.
  • the drive piston 4 seals a first volume 6 of the first cylinder 5 with respect to a second volume 7 of the first cylinder 5.
  • the pressure booster 3 also has a high pressure piston 8, with which the working fluid is compressed from an initial pressure to a final pressure.
  • the high-pressure piston 8 is reciprocable within a second cylinder 9 between a first end position and a second end position.
  • the high pressure piston 8 is connected to the drive piston 4 such that the movement of the drive piston 4 is transmitted to the high pressure piston 8.
  • the high-pressure piston 8 has a smaller piston surface than the drive or low-pressure piston 4.
  • the drive piston 4 is double-acting with a further high pressure piston 10 within a high pressure cylinder 11 on the side facing away from the high pressure piston 8 side of the drive piston 4 is formed.
  • the working fluid is the second with the initial pressure via a first supply line 12 Cylinder 9 and fed via a second supply line 13 to the high-pressure cylinder 11.
  • the working fluid is discharged with the final pressure via a first discharge line 14 from the second cylinder 9 and via a second discharge line 15 from the high-pressure cylinder 11.
  • a first discharge line 14 from the second cylinder 9 and via a second discharge line 15 from the high-pressure cylinder 11.
  • the supply and discharge valves 12a, 13a, 14a, 15a are provided.
  • the first derivative 14 and the second derivative 15 are merged in a common derivative 16.
  • only the first derivative 14 is provided.
  • the closed circuit 17 has a first line 18 from the output 2a of the compressor 2 to the first cylinder 5 and a second line 19 (feedback) from the first cylinder 5 back to the input 2b of the compressor 2.
  • a control device in particular a control slide 20, for changing the flow direction of the drive medium in the first cylinder 5 is provided.
  • the drive piston 4 can be pressurized from one side or from the other side, so that the switching of the control device causes the reciprocating movement of the drive piston 2.
  • the compressor 2 is designed to be fully hermetic or semi-hermetic.
  • gas leaks can thus be reduced.
  • the drive medium As seen from FIG. 1, the drive medium, as seen in the flow direction 21 of the drive medium, is guided between the compressor 2 and the first cylinder 5 of the pressure booster 3 via a heat exchanger 22, in which a heat exchange with the compressed working medium is carried out.
  • the heat content of the working medium can be increased after compression in the second cylinder 9 to increase the temperature of the drive medium before entering the first cylinder 5 for the drive piston 4.
  • less (electrical) power is needed for the compressor 2 for the same work compared to a conventional system.
  • a cooler 23 is arranged in the second line 19 in order to achieve cooling of the drive medium on the way from the first cylinder 5 of the pressure booster 3 back to the compressor 2.
  • the cooler 23 may be formed as a further heat exchanger with a fan 23 a.
  • a temperature measuring element 26 is also provided in the second line 19, which transmits the temperature of the working medium to a control unit 27, which controls the fan 23a in dependence on the temperature of the drive medium in the second line 19.
  • a first buffer memory 24 is provided between the compressor 2 and the heat exchanger 22 and a second buffer memory 25 between the radiator 23 and the compressor 2.

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Abstract

Vorrichtung (1) und Verfahren zum Verdichten eines Arbeitsmediums aufweisend: - Komprimierung eines Antriebsmediums in einem Kompressor (2); - Bewegen eines Antriebskolbens (4) mittels des komprimierten Antriebsmediums innerhalb eines ersten Zylinders (5); - Bewegen eines das Arbeitsmedium verdichtenden Hochdruckkolbens (8) mittels des Antriebskolbens (2) innerhalb eines zweiten Zylinders (9), und - Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf das komprimierte Antriebsmedium vor dem Eintritt des komprimierten Antriebsmediums in den ersten Zylinder (5) des Antriebskolbens (4).

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Verdichten eines Arbeitsmediums
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten eines
Arbeitsmediums mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Verdichten eines Arbeitsmediums mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 8.
Derartige Verdichter sind im Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt (vgl. z.B. die US 4, 104, 008 A) .
Die US 4,104,008 A offenbart eine druckluftbetriebene
Hydraulikpumpe, die einen Arbeitsraum und einen Pneumatikkolben aufweist, wobei der Pneumatikkolben mit einem Hydraulikkolben verbunden ist. Mithilfe eines Hilfsschiebers, der gegen den
Arbeitsraum abgedichtet ist, und eines Steuerschiebers, wird
Druckluft zum Pneumatikkolben befördert, um diesen entgegen einer Federkraft einer Schraubendruckfeder zu bewegen. Durch die Bewegung des Pneumatikkolbens wird der Hydraulikkolben in einem Hydraulikzylinder bewegt, auf den ein Ventilgehäuse aufgeschoben ist, das zum Anschluss von Hydraulikleitungen dient.
Die US 5,324,175 A zeigt einen zweistufigen, pneumatisch
betriebenen Luft-Kolbenkompressor, der einen integrierten und koaxialen Antriebskolben, einen Kolben für die erste Stufe und einen Kolben für die zweite Stufe aufweist. Die Druckseite der ersten Stufe des Kompressors ist die Saugseite der zweiten Stufe. Die zu komprimierende Luft wird nach der Kompression in der ersten Stufe des Kompressors durch einen Wärmetauscher geführt, bevor sie in der zweiten Stufe weiter komprimiert wird.
In den DE 30 18 625 Al und US 6,386,841 Bl sind verschiedene
Ausführungen von Verdichtern gezeigt, welche jedoch nicht im
Hinblick darauf ausgelegt sind, die Effizienz der Verdichter zu erhöhen .
Als nachteilig erweist sich jedoch der hohe Energieverbrauch von Verdichtern mit Gasantrieb.
Vor diesem Hintergrund setzt sich die Erfindung zum Ziel, den Wirkungsgrad für den Antrieb des Hochdruckkolbens zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines
Arbeitsmediums weist zumindest die folgenden Komponenten auf:
- einen Kompressor zur Kompression eines Antriebsmediums;
- einen Druckübersetzer mit einem mittels des Antriebsmediums betätigbaren Antriebskolben innerhalb eines ersten
Zylinders und mit einem das Arbeitsmedium verdichtenden Hochdruckkolben innerhalb eines zweiten Zylinders,
- einen Wärmetauscher zwischen dem Kompressor und dem ersten Zylinder des Druckübersetzers zur Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf das komprimierte
Antriebsmedium.
Erfindungsgemäß ist der Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium nach der Verdichtung im zweiten
Zylinder und dem Antriebsmedium vor dem Eintritt in den ersten Zylinder des Druckübersetzers eingerichtet. Vorteilhafterweise kann so die Temperatur des Antriebsmediums im komprimierten Zustand erhöht werden, bevor der Antriebskolben mit dem
Antriebsmedium im komprimierten Zustand beaufschlagt wird.
Dadurch steht eine höhere Arbeitsleistung für den Betrieb des Hochdruckkolbens zur Verfügung, so dass der Wirkungsgrad des Verdichters gesteigert werden kann.
Dieses Prinzip kann bei verschiedenen Typen von Verdichtern, insbesondere bei einem einfach- oder doppeltwirkenden,
einstufigen oder zweistufigen Verdichter genutzt werden. Der Kompressor kann als Kolbenverdichter ebenfalls einfach- oder doppeltwirkend, einstufig oder zweistufig ausgeführt sein.
Für die Zwecke dieser Offenbarung beziehen sich die Orts- und Richtungsangaben, wie „vor", „nach", „zwischen", etc., auf die Strömungsrichtung des Antriebsmediums bzw. des Arbeitsmediums im Verdichterbetrieb .
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein geschlossener Kreislauf für das Antriebsmedium mit einer ersten Leitung vom Kompressor zum ersten Zylinder und mit einer zweiten Leitung vom ersten Zylinder zum Kompressor vorgesehen. In dem Artikel von Andreas P. Weiß, „Höhere Energieeffizienz - Theoretische
Überlegungen zu einem idealen Druckluftsystem mit geschlossenem Luftkreislauf" , O+P 5/2009, wurde in einem anderen Zusammenhang gezeigt, dass bei einem Druckluftsystem mit einem
Druckluftzylinder die Ausbildung eines geschlossenen
Luftkreislaufes die Energieeffizienz gegenüber einem offenen Referenzsystem ohne Abluftrückführung erhöht.
Der Wärmetauscher ist bevorzugt als Rekuperator ausgeführt, wobei das komprimierte Antriebsmedium und das verdichtete
Arbeitsmedium mittels zumindest einer Wand voneinander getrennt sind. Bei einer alternativen Ausführung ist der Wärmetauscher als Regenerator ausgeführt, wobei eine Wärmespeicherung in einer Wärmetauschermasse vorgesehen ist.
Als Wärmetauscher kann beispielsweise ein Plattenwärmetauscher oder ein Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher vorgesehen sein. Es sind jedoch verschiedenste Ausführungen von Wärmetauschern bekannt, mit welchen der Wärmegehalt des verdichteten Arbeitsmediums auf das komprimierte Antriebsmedium übertragen werden kann.
Um die benötigte Antriebsleistung weiter zu verringern, ist es günstig, wenn der Kompressor vollhermetisch oder halbhermetisch ausgeführt ist.
Für die Zwecke dieser Offenbarung wird als
„vollhermetischer" Kompressor eine Ausführung verstanden, bei welcher ein vorzugsweise druckdichtes Gehäuse sowohl einen
Antriebsmotor als auch eine Verdichtereinheit umschließt, wobei das umschließende Gehäuse insbesondere verschweißt ist und die Medienleitungen durch das Gehäuse durchgeführt sind.
Für die Zwecke dieser Offenbarung wird als
„halbhermetischer" Kompressor eine Ausführung verstanden, bei welcher ein Antriebsmotor mit einem Verdichtergehäuse druckdicht und lösbar verbunden ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein offener Kompressor vorgesehen. Für die Zwecke dieser Offenbarung wird als
„offener" Kompressor eine Ausführung verstanden, bei welcher aus wenigstens einer Seite einer Verdichtereinheit ein Wellenzapfen oder ein anderes Lastübertragungsmittel ragt, über das
Arbeitsleistung in die Verdichtereinheit eingebracht werden kann.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der
Kompressor und der geschlossene Kreislauf für das Antriebsmedium dazu eingerichtet, das Antriebsmedium bei höherem Druck als
Umgebungsdruck im Kreis zu führen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist in der zweiten
Leitung des geschlossenen Kreislaufes ein Kühler zur Kühlung des Antriebsmediums zwischen dem ersten Zylinder des
Druckübersetzers und dem Kompressor angeordnet. Bei dieser
Ausführungsform wird die Temperatur des Antriebsmediums bei der Rückführung vom ersten Zylinder zum Kompressor gesenkt. Auf diese Weise kann die Temperatur des Antriebsmediums nach der
Komprimierung durch Wärmeaustausch mit dem verdichteten
Arbeitsmedium erhöht werden, ohne dass die Temperatur im
geschlossenen Kreislauf insgesamt immer weiter gesteigert werden würde. Vorteilhafterweise wird das Arbeitsmedium daher im
geschlossenen Kreislauf auf verschiedenen Temperaturstufen
geführt, um einen optimalen Wirkungsgrad beim Antrieb des
Hochdruckkolbens zu erzielen.
Um die Temperatur des Antriebsmediums in der Rückleitung vom Verdichter gezielt auf das passende Niveau abzusenken, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform weiters vorgesehen:
— ein Temperaturmesselement in der zweiten Leitung,
— eine Steuereinheit, welche einerseits mit dem Temperaturmesselement und andererseits mit dem Kühler verbunden ist, um den Kühler in Abhängigkeit von der Temperatur des Antriebsmediums in der zweiten Leitung zu steuern .
Zum Ausgleich von Druckspitzen bzw. Druckschwankungen ist
bevorzugt ein erster Pufferspeicher zwischen dem Kompressor und dem Wärmetauscher und/oder ein zweiter Pufferspeicher zwischen dem Kühler und dem Kompressor vorgesehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Kompressor und dem ersten Zylinder ein Steuerschieber vorgesehen, welcher zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten
Stellung umschaltbar ist, um den ein erstes Volumen des ersten Zylinders gegenüber einem zweiten Volumen des ersten Zylinders abdichtenden Antriebskolben mittels des Antriebsmediums hin- und her zu bewegen. In der ersten Stellung verbindet der
Steuerschieber die erste Leitung mit einem ersten Volumen des ersten Zylinders und die zweite Leitung mit einem zweiten
Volumen des ersten Zylinders. In der zweiten Stellung verbindet der Steuerschieber die erste Leitung mit dem zweiten Volumen des ersten Zylinders und die zweite Leitung mit dem ersten Volumen des ersten Zylinders.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines
Arbeitsmediums weist zumindest die folgenden Schritte auf:
- Komprimierung eines Antriebsmediums in einem Kompressor;
- Bewegen eines Antriebskolbens mittels des komprimierten
Antriebsmediums innerhalb eines ersten Zylinders;
- Bewegen eines das Arbeitsmedium verdichtenden
Hochdruckkolbens mittels des Antriebskolbens innerhalb eines zweiten Zylinders, und
- eine Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf
das komprimierte Antriebsmedium vor dem Eintritt des
komprimierten Antriebsmediums in den ersten Zylinder des Antriebskolbens .
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiters den Schritt
- Leiten des Antriebsmediums in einem geschlossenen Kreislauf vom Kompressor über den ersten Zylinder zurück zum
Kompressor .
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Antriebsmedium im Kompressor von einem Eingangsdruck auf einen Ausgangsdruck komprimiert, wobei der Eingangsdruck größer als ein Umgebungsdruck ist.
Der Eingangsdruck des Antriebsmediums am Eingang des Kompressors beträgt bevorzugt zwischen 0,5 bar und 50 bar, insbesondere zwischen 2 bar und 30 bar. Der Ausgangsdruck des Antriebsmediums am Ausgang des Kompressors beträgt bevorzugt zwischen 1 bar und 100 bar, insbesondere zwischen 5 bar und 40 bar.
Für die Zwecke dieser Offenbarung sollen sämtliche Druckwerte als Absolutdrucke verstanden werden.
Zur Temperaturabsenkung des Antriebsmediums vor dem Kompressor wird bevorzugt eine Kühlung des aus dem ersten Zylinder austretenden Antriebsmediums mittels eines Kühlers vorgenommen.
Das Antriebsmedium ist vorzugsweise von dem Arbeitsmedium verschieden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Antriebsmedium gasförmig, wobei als Antriebsmedium vorzugsweise eines von Luft, Stickstoff, CO2, Argon oder Krypton oder eine Mischung daraus vorgesehen ist. Die herkömmlichen Verdichter mit Gasantrieb haben einen hohen Energiebedarf, um die benötigte Antriebsleistung für den Antrieb des Hochdruckkolbens zur Verfügung zu stellen. Durch den geschlossenen Kreislauf des Antriebsmediums einerseits und die Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf das komprimierte Antriebsmedium andererseits kann der Wirkungsgrad beim Betrieb des Antriebskolbens wesentlich erhöht werden.
Bei einer besonders bevorzugten Anwendung ist das Arbeitsmedium gasförmig, wobei als Arbeitsmedium vorzugsweise molekularer Wasserstoff vorgesehen ist. Bevorzugt wird der Druck des Arbeitsmediums von einem Anfangsdruck, insbesondere zwischen 3 bar und 500 bar, auf einen Enddruck, insbesondere zwischen 100 bar und 1500 bar, insbesondere zwischen 700 bar und 1000 bar, angehoben. Diese Werte sind wiederum jeweils als Absoluter Druck zu verstehen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsmediums mittels eines Hochdruckkolbens, wobei eine Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf das komprimierte Antriebsmedium für den Antriebskolben durchgeführt wird .
In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zum Verdichten eines gasförmigen Arbeitsmediums, vorzugsweise molekularer Wasserstoff, gezeigt. Die Vorrichtung 1 weist einen Kompressor 2 zur Kompression eines gasförmigen Antriebsmediums, vorzugsweise Luft, auf. Im Stand der Technik sind verschiedenste Typen von Kompressoren 2 bekannt. Beispielsweise kann der Kompressor 2 als Kolben- oder Schraubenverdichter ausgeführt sein. Der Kompressor kann genau eine Stufe oder mindestens zwei Stufen aufweisen. Der Kompressor 2 erhöht den Druck des Antriebsmediums von einem Eingangsdruck an einem Eingang 2a des Kompressors 2 auf einen Ausgangsdruck an einem Ausgang 2b des Kompressors 2.
Wie aus der Zeichnung weiters ersichtlich, wird das komprimierte Antriebsmedium zum Antrieb eines Druckübersetzers 3 verwendet. Der Druckübersetzer 3, auch als Druckumwandler bezeichnet, weist einen Antriebskolben 4 auf, welcher innerhalb eines ersten Zylinders 5 zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition hin- und her bewegt wird. Für den Antrieb des Antriebskolbens 4 wird das Antriebsmedium in den ersten Zylinder 5 geleitet. Der Antriebskolben 4 dichtet ein erstes Volumen 6 des ersten Zylinders 5 gegenüber einem zweiten Volumen 7 des ersten Zylinders 5 ab. Der Druckübersetzer 3 weist zudem einen Hochdruckkolben 8 auf, mit welchem das Arbeitsmedium von einem Anfangsdruck auf einen Enddruck verdichtet wird. Der Hochdruckkolben 8 ist innerhalb eines zweiten Zylinders 9 zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung hin- und her bewegbar. Dafür ist der Hochdruckkolben 8 mit dem Antriebskolben 4 derart verbunden, dass die Bewegung des Antriebskolbens 4 auf den Hochdruckkolben 8 übertragen wird. Um eine Druckübersetzung von der Niederdruck- zur Hochdruckseite zu erzielen, weist der Hochdruckkolben 8 eine geringere Kolbenfläche als der Antriebs- bzw. Niederdruckkolben 4 auf. In der gezeigten Ausführung ist der Antriebskolben 4 doppeltwirkend mit einem weiteren Hochdruckkolben 10 innerhalb eines Hochdruckzylinders 11 auf der vom Hochdruckkolben 8 abgewandten Seite des Antriebskolbens 4 ausgebildet. Das Arbeitsmedium wird mit dem Anfangsdruck über eine erste Zuleitung 12 dem zweiten Zylinder 9 und über eine zweite Zuleitung 13 dem Hochdruckzylinder 11 zugeführt. Nach der Verdichtung wird das Arbeitsmedium mit dem Enddruck über eine erste Ableitung 14 vom zweiten Zylinder 9 und über eine zweite Ableitung 15 vom Hochdruckzylinder 11 abgeleitet. In den Zu- und Ableitungen sind Ventile 12a, 13a, 14a, 15a vorgesehen. In der gezeigten Ausführung werden die erste Ableitung 14 und die zweite Ableitung 15 in einer gemeinsamen Ableitung 16 zusammengeführt. Bei einer einfachwirkenden Ausführung des Antriebskolbens 4 (nicht gezeigt) ist lediglich die erste Ableitung 14 vorgesehen.
Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, wird das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf 17 geführt. Der geschlossene Kreislauf 17 weist eine erste Leitung 18 vom Ausgang 2a des Kompressors 2 zum ersten Zylinder 5 und eine zweite Leitung 19 (Rückführung) vom ersten Zylinder 5 zurück zum Eingang 2b des Kompressors 2 auf. Zudem ist eine Steuervorrichtung, insbesondere ein Steuerschieber 20, zur Änderung der Strömungsrichtung des Antriebsmediums im ersten Zylinder 5 vorgesehen. Dadurch kann der Antriebskolben 4 je nach Stellung der Steuervorrichtung von der einen Seite oder von der anderen Seite unter Druck gesetzt werden, so dass das Umschalten der Steuervorrichtung die Hin- und Her-Bewegung des Antriebskolbens 2 bewirkt. In der gezeigten Ausführung ist der Kompressor 2 vollhermetisch oder halbhermetisch ausgeführt. Vorteilhafterweise können so Gasleckagen reduziert werden.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird das Antriebsmedium in Strömungsrichtung 21 des Antriebsmediums gesehen zwischen dem Kompressor 2 und dem ersten Zylinder 5 des Druckübersetzers 3 über einen Wärmetauscher 22 geführt, in welchem ein Wärmeaustausch mit dem verdichteten Arbeitsmedium durchgeführt wird. Zu diesem Zweck ist der Wärmetauscher 22 mit der ersten Ableitung 14 und/oder mit der zweiten Ableitung 15, im Fall des gezeigten doppeltwirkenden Verdichters mit der gemeinsamen Ableitung 16, verbunden. Somit kann der Wärmegehalt des Arbeitsmediums nach der Verdichtung im zweiten Zylinder 9 zur Temperaturerhöhung des Antriebsmediums vor dem Eintritt in den ersten Zylinder 5 für den Antriebskolben 4 erhöht werden. Aus der idealen Gasgleichung (p*V=n*R*T) ergibt sich, dass das Produkt p*V erhöht wird, wenn die Temperatur des komprimierten Antriebsmediums erhöht wird. Die erbringbare Arbeit und folglich Leistung am Druckumsetzer wird dadurch erhöht. Somit wird für die gleiche Arbeit im Vergleich zu einem herkömmlichen System weniger (elektrische) Antriebsenergie für den Kompressor 2 benötigt .
In der gezeigten Ausführung ist zudem ein Kühler 23 in der zweiten Leitung 19 angeordnet, um eine Kühlung des Antriebsmediums am Weg vom ersten Zylinder 5 des Druckübersetzers 3 zurück zum Kompressor 2 zu erzielen. Der Kühler 23 kann als weiterer Wärmetauscher mit einem Ventilator 23a ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführung ist zudem ein Temperaturmesselement 26 in der zweiten Leitung 19 vorgesehen, welches die Temperatur des Arbeitsmediums an eine Steuereinheit 27 übermittelt, welche den Ventilator 23a in Abhängigkeit von der Temperatur des Antriebsmediums in der zweiten Leitung 19 ansteuert .
Weiters ist ein erster Pufferspeicher 24 zwischen dem Kompressor 2 und dem Wärmetauscher 22 und ein zweiter Pufferspeicher 25 zwischen dem Kühler 23 und dem Kompressor 2 vorgesehen.
Der besseren Übersicht halber sind in der Zeichnung lediglich die für das Verständnis der gezeigten Ausführungsform benötigten Komponenten dargestellt. Selbstverständlich kann die Verdichter- Vorrichtung 1 verschiedenste zusätzliche Komponenten und Modifikationen gegenüber der gezeigten Ausführungsform aufweisen

Claims

Patentansprüche :
1. Vorrichtung (1) zum Verdichten eines Arbeitsmediums
aufweisend :
— einen Kompressor (2) zur Kompression eines Antriebsmediums;
— einen Druckübersetzer (3) mit einem mittels des
Antriebsmediums betätigbaren Antriebskolben (4) innerhalb eines ersten Zylinders (5) und mit einem das Arbeitsmedium verdichtenden Hochdruckkolben (8) innerhalb eines zweiten Zylinders ( 9) ;
gekennzeichnet durch
— einen Wärmetauscher (22) zwischen dem Kompressor (2) und
dem ersten Zylinder (5) des Druckübersetzers (3) zur
Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf das komprimierte Antriebsmedium.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
— einen geschlossenen Kreislauf (17) für das Antriebsmedium mit einer ersten Leitung (18) vom Kompressor (2) zum ersten Zylinder (5) und mit einer zweiten Leitung (19) vom ersten Zylinder (5) zum Kompressor (2) .
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (2) vollhermetisch, halbhermetisch oder offen ausgeführt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (2) und der geschlossene Kreislauf (17) für das Antriebsmedium dazu eingerichtet sind, das Antriebsmedium bei höherem Druck als Umgebungsdruck im Kreis zu führen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch
— einen Kühler (23) zur Kühlung des Antriebsmediums in der zweiten Leitung (19) zwischen dem ersten Zylinder (5) des Druckübersetzers (3) und dem Kompressor (2) .
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch
— ein Temperaturmesselement (26) in der zweiten Leitung (19),
— eine Steuereinheit (27), welche einerseits mit dem Temperaturmesselement (26) und andererseits mit dem Kühler (23) verbunden ist, um den Kühler (23) in Abhängigkeit von der Temperatur des Antriebsmediums in der zweiten Leitung (19) zu steuern.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch
- einen ersten Pufferspeicher (24) zwischen dem Kompressor (2) und dem Wärmetauscher (22) und/oder einem zweiten Pufferspeicher (25) zwischen dem Kühler (23) und dem Kompressor (2 ) .
8. Verfahren zum Verdichten eines Arbeitsmediums aufweisend:
- Komprimierung eines Antriebsmediums in einem Kompressor (2);
- Bewegen eines Antriebskolbens (4) mittels des komprimierten Antriebsmediums innerhalb eines ersten Zylinders (5) ;
- Bewegen eines das Arbeitsmedium verdichtenden
Hochdruckkolbens (8) mittels des Antriebskolbens (2)
innerhalb eines zweiten Zylinders (9),
gekennzeichnet durch
- eine Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf
das komprimierte Antriebsmedium vor dem Eintritt des
komprimierten Antriebsmediums in den ersten Zylinder (5) des Antriebskolbens (4) .
9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch:
- Leiten des Antriebsmediums in einem geschlossenen Kreislauf (18) vom Kompressor (2) über den ersten Zylinder (5) zurück zum Kompressor (2) .
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmedium im Kompressor (2) von einem Eingangsdruck auf einen Ausgangsdruck komprimiert wird, wobei der Eingangsdruck größer als ein Umgebungsdruck ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsdruck zwischen 0,5 bar und 50 bar, insbesondere zwischen 2 bar und 30 bar, beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch
Kühlung des aus dem ersten Zylinder (5) austretenden Antriebsmediums mittels eines Kühlers (23) .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmedium gasförmig ist, wobei als Antriebsmedium vorzugsweise eines von Luft, Stickstoff, CCg, Agron oder Krypton oder eine Mischung daraus vorgesehen ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium gasförmig ist, wobei als Arbeitsmedium vorzugsweise molekularer Wasserstoff vorgesehen ist .
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