WO2007101768A1 - Multistage compressor - Google Patents
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- WO2007101768A1 WO2007101768A1 PCT/EP2007/051265 EP2007051265W WO2007101768A1 WO 2007101768 A1 WO2007101768 A1 WO 2007101768A1 EP 2007051265 W EP2007051265 W EP 2007051265W WO 2007101768 A1 WO2007101768 A1 WO 2007101768A1
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Definitions
- the invention relates to a multi-stage compressor for compressing gases, and more particularly to a membrane compressor for a gas refueling system for refueling a motor vehicle powered by natural gas, methane or similar gases as well as by hydrogen.
- the compression leads to an undesired heating of the gas, which has the greater effect the greater the step pressure ratio ⁇ .
- the pressure ratio ⁇ can be reduced by increasing the number of stages.
- the insertion work to be performed leads to a heating of the gas in the compressed gas tank.
- the Joule-Thomson effect (temperature change of the gas by throttling) of the real gas counteracts this heating in general.
- the Joule-Thomson effect and the heat release to the environment are sufficient to compensate for the heating caused by the insertion work of the gas.
- DE 197 05 601 A1 describes a natural gas refueling process without cooling the gas, in which the refueling process of the pressurized gas container is carried out until the pressure in the line to the pressurized gas container exceeds a maximum pressure. Another possibility provides that the refueling process is aborted when the mass flow falls below a threshold value.
- WO 97/06383 Al describes a gas charging system for high-pressure bottles. The cooling of the gas takes place here by winding the high-pressure fissure to be filled, whereby two connections for flow and return are required. In the rinse cycle, the gas is cooled by a heat exchanger or by mixing with the gas in the reservoir.
- EP 0 653 585 A1 discloses a system for refueling a pressurized gas container. Therein the execution of a test shock is described and used for its evaluation, the thermal equation of state for the real gas. It also describes switching to higher pressure reservoirs (multi-bank process) during refueling. The fueling process is intermittent. There is no cooling device for the gas provided.
- DE 10 2005 006 751 A1 also discloses a device in which, with the aid of a vortex tube, a temperature reduction of gases is achieved without separation into a hot gas flow and cold gas flow.
- the operation of the two last-mentioned methods and apparatus is based on supplying the gas at a supercritical pressure ratio to a swirl generator arranged axially between two pipes having a different inlet diameter.
- a temperature reduction of gases with a vortex tube succeeds and only if supercritical pressure conditions exist.
- WO 01/27475 A1 describes a star-shaped multistage membrane compressor in which the compressor chambers are arranged in a star shape around a crankshaft.
- the compressor chambers form the individual stages of a multi-stage compressor and therefore have different volumes. In this way, high compression ratios can be realized, but with the generation of considerable heat of compression.
- Direct refueling independent of gas stations is appropriate where the construction of publicly available natural gas filling stations is not worthwhile, vehicles could be refueled there - and not only those of private transport - where they are during their downtime.
- This can be in industrial parks, garages or car boards. Many households or buildings have natural gas available for heating purposes.
- This natural gas can be compressed in the garage by means of a compressor (natural gas compressor) during the night from the usual natural gas pressure level of 50 mbar to 200bar at a reference temperature of 15 ° C. This can be refueled a motor vehicle.
- the main problem of a multi-stage high-pressure compressor is the heating of the gas between the individual compressor stages and the cooling of the gas at the compressor outlet, which must never exceed 60 0 C when entering the compressed gas tank during refueling.
- the invention has the object of providing a multi-stage compressor in such a way that it is possible by direct refueling a Druckgas employer beglaüen that a predetermined by the technical rules limit value of the pressure in the compressed gas tank is achieved at a predetermined limit temperature.
- the multi-stage compressor according to the invention is defined by the patent claim 1. After that, the high-pressure compressor is preceded by a supercharger which has at least one precompressor stage, each precompressor stage containing a plurality of chambers, which are combined to form at least one group, and wherein the chambers of a group are jointly and synchronously driven.
- the invention is based on the idea that in a high-pressure compressor in membrane construction to reduce the pressure ratio, the number of stages of the high-pressure compressor should not be increased, but the high pressure compressor should be preceded by a single or multi-stage supercharger.
- a supercharger not only the pressure ratio ⁇ in the high-pressure compressor can be lowered, but - without changing the dimensions of the high-pressure compressor - also increase the mass flow rate proportional to the increase in the form.
- the invention makes it possible to use standardized multi-membrane pumps. Even the sizes of the pump chambers of the different stages can be equal to one another. But it is also possible to make the pump chambers interchangeable in a pumping device with star-shaped pump chambers, so that pump chambers of different sizes are available, which can be optionally mounted in the pumping device.
- a particularly expedient embodiment of the invention provides that for very large Gasvoiumenströmen the first and subsequent stages of the supercharger are divided into several membrane chambers, if for material reasons, the necessary for a large volume flow membrane diameter is not feasible.
- the first stage of the high-pressure compressor can be supplied with twice the gas mass flow compared to a high-pressure compressor which is operated without a supercharger.
- the supercharger must be equipped with two membrane chambers, which have the same dimensions as the first stage of the high pressure compressor, depending on the size of the pre-compressor to be produced in the form and increasing gas mass flow are different variations in the inventive design of the supercharger possible, which are explained below with reference to a simple mathematical consideration.
- the diameter of the diaphragm chambers always the membrane diameter corresponds to the first stage of the high pressure compressor.
- V 1 is the volume of the first stage
- D 1 is the diameter of the first stage of the supercharger
- HDi is the diameter of the first stage of the high pressure compressor
- V HDI is the volume of the first stage of the high pressure compressor
- D is HDI the diameter of the first stage of the high pressure compressor
- Z n is the number of diaphragm pumps in stage n.
- 2 ) / 2 2D,
- a particular advantage of a pre-compressor designed in this way is that in the subdivision of the stages into individual membrane chambers, the same components can be used to save costs. These are as essential parts of the supercharger, the membranes of the membrane chambers, which all have the same dimensions as the membrane of the first stage of the downstream high-pressure compressor in membrane construction. Another advantage of the invention is that the dimensions of the membrane or the diaphragm chambers are independent of the pressure ratio, the volume flow rate and the desired outlet pressure of the supercharger. According to the invention, it is also possible to increase by a supercharger, the delivery volume of a high-pressure compressor in membrane design either initially by two to nine times compared to an operation without a pre-compressor.
- 1 is a schematic longitudinal section through a multi-chamber
- FIG. 2 shows an embodiment of a compressor of supercharger and single or multi-stage high-pressure compressor in membrane construction
- FIG. 3 is a schematic overview of the structure and the division of the membrane chambers in a compressor with single-stage supercharger and single-stage high-pressure compressor,
- FIG. 4 shows an exemplary embodiment with two-stage supercharger and single-stage high-pressure compressor
- FIG. 5 shows an exemplary embodiment with three-stage supercharger and single-stage high-pressure compressor
- FIG. 6 is a schematic representation of the camshaft in a single-stage supercharger
- Fig. 7 is a view of the camshaft in a two-stage supercharger
- Fig. 8 is a view of the camshaft in a three-stage supercharger.
- FIG. 1 shows a diaphragm chamber pump 50 is shown schematically.
- a camshaft 52 is mounted, which controls a plurality of star-shaped arranged around the camshaft diaphragm pump chambers 53.
- Each diaphragm pumping chamber 53 is defined by a flexible membrane 54 which is movable between two end positions.
- the diaphragm pump chamber 53 has an inlet line 64 with a check valve 55 and an outlet line 66 with a check valve 57. Gas is drawn in through the inlet line 64, and the compressed gas is expelled through the outlet line 66.
- the movement of the membrane 54 is effected by a liquid cushion 58 which is contained in a cylinder 59 in which a piston 60 is movable.
- a spring 61 pushes the piston 60 against a ball bearing 62 which sits on the camshaft 52 and forms an eccentric for driving the piston.
- the piston 60 performs a linear movement in the cylinder 59, whereby the membrane 54 is moved via the Flusstechnikspolster 58 between their end positions.
- FIG. 2 shows a compressor which consists of a supercharger VV and a high-pressure compressor HD.
- the supercharger consists of the multiple diaphragm compressor shown in FIG. It has four diaphragm pump chambers 11, 12, 13, 14, which are controlled by the same camshaft.
- the Auslass grists the diaphragm pump chambers are shown in Figure 2 They are connected to a collector 70, which leads to a diaphragm pump chamber HDL of the high-pressure compressor HD.
- the high-pressure compressor is also designed here as a camshaft-controlled diaphragm pump, wherein the remaining diaphragm pump chambers can be used as further stages of the high-pressure compressor or for other purposes.
- the first digit in the schematic diaphragm chambers refers to the compressor stage, with the second digit is the Anzah! the membrane chambers numbered consecutively in the assigned stage.
- HDl designates the first stage of the downstream high-pressure compressor whose dimensions are identical to the individual diaphragm chambers of the predverdester.
- FIG. 4 shows the structure for a three-stage supercharger in membrane construction.
- the compression ratio ⁇ is also 2. Also in the second stage two chambers are combined into one group; likewise in the third stage S 3 .
- FIG. 6 shows the cross section and the view of the camshaft for a single-stage supercharger. Due to the eccentric shape of the camshaft, which extends over a range of 0 ° to 180 °, as can be seen from the cross section, the individual membranes are driven in the diaphragm chambers of the supercharger during half a revolution of the camshaft. The operated in the two-stroke diaphragm chambers suck in the first Fourth! until the top dead center at 90 °, the gas and compress it to then initiate the Ausschieben in the second quarter, which is completed at a cam angle of 180 °.
- the entire gas volume in the first stage of the downstream high-pressure compressor As can be seen from the view flows in a single-stage supercharger with four diaphragm chambers, the entire gas volume in the first stage of the downstream high-pressure compressor.
- the first digit in the schematic eccentric of the cam period refers to the compressor stage in the supercharger
- the second digit indicates the serial number of the diaphragm combs present in the relevant compressor stage.
- FIG. 7 shows the cross section and the view of the camshaft using the example of a two-stage supercharger.
- the intake and compression of the gas starts at a camshaft position of 180 °
- the top dead center is at a cam angle! of 270 °
- the pushing out into the second stage of the supercharger is completed at a cam angle of 0 °.
- the timing of the suction of the compression and the expulsion of the gas in the first stage of the high-pressure compressor nachgeschaiteten then takes place in the second stage as in the single-stage supercharger,
- the first stage compression operation begins at a cam angle position of 0 °, becomes at top dead center at a cam angle of 90 ° completed, followed by the Ausschiebevorgang followed in the second compressor stage, which is completed at a cam angle of 180 °, the second compressor stage has its top dead center with a cam angle! of 270 °, followed by the Ausschiebevorgang in the third compressor stage up to a cam angle of 0 °.
- This in turn has its top dead center at a cam angle of 90 ° and ends with the subsequent expulsion of the gas flow from the two diaphragm chambers of the first stage of the supercharger in the first stage of a high-speed downstream high-pressure compressor. This process is completed at a cam angle of 180 °.
- the gas forces to be controlled by the camshaft designed as an eccentric are balanced in their mass moment of inertia only in the two-stage design of the supercharger (FIG. 7). This means that only with an even number of compressor stages, the mass moment of inertia caused by the gas forces must be compensated. With an odd number of stages (FIGS. 6 and 8), the gas forces of one stage, which cause the mass moment of inertia not to be compensated, are compensated by a revolving counterweight on the camshaft.
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Abstract
The invention relates to a multistage compressor for providing high-pressure gas in filling stations, said compressor consisting of a high-pressure compressor and a multistage booster compressor (VV). Both compressors comprise membrane pump chambers which are controlled by camshafts. The booster compressor (VV) can contain a plurality of stages (S<SUB>1</SUB>, S<SUB>2</SUB>, S<SUB>3</SUB>), the chambers in each stage forming groups (G<SUB>1</SUB>, G<SUB>2</SUB>, G<SUB>3</SUB>) of chambers. The chambers of a group are synchronously operated in phase. The chambers of two successive stages are operated in opposition of phase. The number of chambers in a group is approximately the same as the pressure ratio p, so that the size of the chambers can be standardised.
Description
Mehrstufiger Verdichter Multi-stage compressor
Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Verdichter zum Verdichten von Gasen und insbesondere einen Membranverdichter für ein Gasbetankungssystem zum Betanken eines mit Erdgas, Methan oder ähnlichen Gasen sowie mit Wasserstoff betriebenen Kraftfahrzeugs.The invention relates to a multi-stage compressor for compressing gases, and more particularly to a membrane compressor for a gas refueling system for refueling a motor vehicle powered by natural gas, methane or similar gases as well as by hydrogen.
Problematisch bei Gasen als Energiespeicher Im Kraftfahrzeug ist ihr im Vergleich zu flüssigen Energieträgern bei Erdgas um drei Zehnerpotenzen höherer Speichervolumenbedarf bei Umgebungsbedingungen. Deshalb hat man festgelegt, Erdgas mit einem Druck von 250 bar an den Tankstellen zur Verfügung zu stellen, damit ein nach den technischen Regeln vorgegebener Druck von 200 bar im Druckgasbehäiter eines Fahrzeugs bei einer Bezugstemperatur von 15°C erreicht und auch nicht überschritten wird. Damit
muss wenigstens nur ein etwa 3-faches Speichervoiumen im PKW zur Verfugung gestellt werden im Vergleich zum Benzinfahrzeug.Problematic with gases as energy storage In the motor vehicle is compared to liquid fuels in natural gas by three orders of magnitude higher storage volume requirements at ambient conditions. Therefore, it has been determined to provide natural gas at a pressure of 250 bar at the filling stations available, so that a predetermined by the technical rules pressure of 200 bar in Druckgasbehäiter a vehicle at a reference temperature of 15 ° C and not exceeded. In order to At least only about 3 times the storage space in the car must be provided in comparison to the gasoline vehicle.
Bei Gasbetankungsanlagen für die Dlrekt-Betankung mit einem Verdichter führt die Verdichtung zu einer unerwünschten Erwärmung des Gases, die sich um so stärker auswirkt, je größer das Stufendruckverhältnis π ist. Um den angestrebten Enddruck zu erreichen, lässt sich durch Erhöhung der Stufenzahl das Druckverhältnis π reduzieren.In the case of gas filling plants for direct fueling with a compressor, the compression leads to an undesired heating of the gas, which has the greater effect the greater the step pressure ratio π. To achieve the desired final pressure, the pressure ratio π can be reduced by increasing the number of stages.
Bei Gasbetankungsanlagen fuhrt die aufzubringende Einschiebearbeit zu einer Erwärmung des Gases im Druckgasbehäiter. Der Joule-Thomson-Effekt (Temperaturänderung des Gases durch Drosselung) des realen Gases wirkt dieser Erwärmung im allgemeinen entgegen. Jedoch nur unter sehr günstigen Bedingungen, d. h, bei ausreichend niedriger Temperatur, reicht der Joule- Thomson-Effekt und die Wärmeabgabe an die Umgebung aus, um die durch die Einschiebearbeit des Gases verursachte Erwärmung zu kompensieren. Sind diese gunstigen Bedingungen nicht gegeben, so kommt es in Gasbetankungsanlagen ohne Kühlvorrichtung beim Umfüllen oder einer Direkt-Betankung zu einer Unterfullung des Druckgasbehälters, Der Grund hierfür ist, dass sich durch die Einschiebearbeit eine hohe Temperatur und damit ein entsprechend hoher Druck im Druckgasbehäiter einstellt, was die zur Verfügung stehende Druckdifferenz für die Befüllung so stark erniedrigt, dass der Betankungsvorgang lange dauert und daher abgebrochen wird, bevor der Druckgasbehälter die nach den technischen Regeln mögliche Gasmasse enthält.In gas filling plants, the insertion work to be performed leads to a heating of the gas in the compressed gas tank. The Joule-Thomson effect (temperature change of the gas by throttling) of the real gas counteracts this heating in general. However, only under very favorable conditions, d. h, at a sufficiently low temperature, the Joule-Thomson effect and the heat release to the environment are sufficient to compensate for the heating caused by the insertion work of the gas. If these favorable conditions are not met, it comes in gas refueling without cooling device during transfer or direct refueling to underfilling the gas cylinder, the reason is that the Einschiebearbeit a high temperature and thus a correspondingly high pressure in Druckgasbehäiter sets, what the available pressure difference for the filling so much lowered that the refueling process takes a long time and is therefore canceled before the compressed gas tank contains the possible gas mass according to the technical rules.
DE 197 05 601 Al beschreibt ein Erdgas-Betankungsverfahren ohne Kühlung des Gases, bei dem der Betankungsvorgang des Druckgasbehälters so lange durchgeführt wird, bis der Druck in der Leitung zum Druckgasbehälter einen Höchstdruck überschreitet. Eine andere Möglichkeit sieht vor, dass der Betankungsvorgang abgebrochen wird, wenn der Massenstrom einen Grenzwert unterschreitet.
WO 97/06383 Al beschreibt ein Gas-Ladesystem für Hochdruckflaschen. Die Kühlung des Gases erfolgt hier durch Spulung der zu füllenden Hochdruckfiasche, wodurch zwei Anschlüsse für Vor- und Rücklauf benötigt werden. Im Spülkreislauf wird das Gas durch einen Wärmetauscher oder durch Vermischen mit dem Gas im Vorratsbehälter gekühlt.DE 197 05 601 A1 describes a natural gas refueling process without cooling the gas, in which the refueling process of the pressurized gas container is carried out until the pressure in the line to the pressurized gas container exceeds a maximum pressure. Another possibility provides that the refueling process is aborted when the mass flow falls below a threshold value. WO 97/06383 Al describes a gas charging system for high-pressure bottles. The cooling of the gas takes place here by winding the high-pressure fissure to be filled, whereby two connections for flow and return are required. In the rinse cycle, the gas is cooled by a heat exchanger or by mixing with the gas in the reservoir.
EP 0 653 585 Al gibt ein System zur Betankung eines Druckgasbehälters an. Darin wird die Durchführung eines Prüfstoßes beschrieben und zu dessen Auswertung die thermische Zustandsgieichung für das reale Gas herangezogen. Es wird auch ein Umschalten auf Vorratsbehälter mit höherem Druck (Mehrbankverfahren) während der Betankung beschrieben. Der Betankungsvorgang erfolgt intermittierend. Es ist keine Kuhlvorrichtung für das Gas vorgesehen.EP 0 653 585 A1 discloses a system for refueling a pressurized gas container. Therein the execution of a test shock is described and used for its evaluation, the thermal equation of state for the real gas. It also describes switching to higher pressure reservoirs (multi-bank process) during refueling. The fueling process is intermittent. There is no cooling device for the gas provided.
DE 102 18 678 B4 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei dem das Gas zum Befüllen des Druckgasbehälters aus einem unter hohem Druck stehenden Vorratsbehäiter über ein Wirbelrohr als Kuhlvorrichtung geleitet wird. Das Wirbelrohr nutzt den bestehenden Druckunterschied im Betankungssystem aus, um den Gasstrom in einen Heißgasstrom und Kaltgasstrom zu teilen. Letzterer wird dann dem Druckgasbehälter zugeführt.DE 102 18 678 B4 describes a method and an apparatus in which the gas for filling the compressed gas container is passed from a high pressure storage container via a vortex tube as Kuhlvorrichtung. The vortex tube exploits the existing pressure difference in the refueling system to divide the gas stream into a hot gas stream and cold gas stream. The latter is then fed to the compressed gas container.
Auch die DE 10 2005 006 751 Al gibt eine Vorrichtung an, bei welcher mit Hilfe eines Wirbelrohres eine Temperaturabsenkung von Gasen verwirklicht wird, ohne dass eine Trennung in einen Heißgasstrom und Kaltgasstrom erfolgt.DE 10 2005 006 751 A1 also discloses a device in which, with the aid of a vortex tube, a temperature reduction of gases is achieved without separation into a hot gas flow and cold gas flow.
Die Funktionsweise der beiden zuletzt genannten Verfahren und Vorrichtung basiert darauf, dass das Gas bei einem überkritischen Druckverhältnis einem Drallerzeuger zugeführt wird, der achsial zwischen zwei Rohren angeordnet ist, die einen unterschiedlichen Eintrittsdurchmesser haben. eine Temperaturabsenkung von Gasen mit einem Wirbelrohr gelingt dann und nur dann, wenn überkritische Druckverhältnisse vorliegen. Bei einem kritischen
Druckverhältnis für Erdgas von 1/ π* < 0,5427 und einem Druck im Vorratsbehälter von ρv = 250 bar , der in der Regel unterschritten wird, wenn mehrere Fahrzeuge kurz hintereinander betankt werden, ist ein unterkritischer Zustand erreicht, wenn im Druckgasbehälter der Druck auf ρD = 135 bar angestiegen ist. Das bedeutet, dass beim Befüllen eines Druckgasbehälters mit Erdgas im Druckbereich zwischen ρn = 135 bar bis pD = 200bai unter den, durch die technischen Regeln vorgegebenen Voraussetzungen, durch den Einsatz eines Wirbelrohres keine Temperaturabsenkung des Gases mehr zu erzielen ist.The operation of the two last-mentioned methods and apparatus is based on supplying the gas at a supercritical pressure ratio to a swirl generator arranged axially between two pipes having a different inlet diameter. a temperature reduction of gases with a vortex tube succeeds and only if supercritical pressure conditions exist. At a critical Pressure ratio for natural gas of 1 / π * <0.5427 and a pressure in the reservoir of ρ v = 250 bar, which is usually undershot, if several vehicles are refueled in quick succession, a subcritical state is reached when in the pressure gas tank, the pressure has risen to ρ D = 135 bar. This means that when filling a compressed gas tank with natural gas in the pressure range between ρ n = 135 bar to p D = 200bai under the conditions prescribed by the technical rules, by using a vortex tube no temperature reduction of the gas is more to achieve.
In WO 01/27475 Al ist ein mehrstufiger Membranverdichter in Sternbauweise beschrieben, bei dem die Verdichterkammern sternförmig um eine Kurbeiwelle herum angeordnet sind. Die Verdichterkammern bilden die einzelnen Stufen eines mehrstufigen Verdichters und sie haben daher unterschiedliche Volumina. Auf diese Weise können hohe Verdichtungsverhältnisse realisiert werden, allerdings unter Erzeugung erheblicher Kompressionswärme.WO 01/27475 A1 describes a star-shaped multistage membrane compressor in which the compressor chambers are arranged in a star shape around a crankshaft. The compressor chambers form the individual stages of a multi-stage compressor and therefore have different volumes. In this way, high compression ratios can be realized, but with the generation of considerable heat of compression.
Eine Direkt-Betankung unabhängig von Tankstellen ist dort angebracht, wo sich die Errichtung von öffentlich zugänglichen Erdgastankstellen nicht lohnt, Fahrzeuge könnten dort betankt werden - und zwar nicht nur die des Individualverkehrs - wo sie sich während ihrer Stillstandszeit befinden. Dies kann in Industrieparks, Garagen oder Car Boards sein. Sehr viele Haushalte bzw. Gebäude haben Erdgas zu Heizzwecken zur Verfügung. Dieses Erdgas kann in der Garage mit Hilfe eines Kompressors (Erdgasverdichters) während der Nacht vom üblichen Erdgasnetzdruckniveau von 50 mbar auf 200bar bei einer Referenztemperatur von 15°C komprimiert werden. Damit kann ein Kraftfahrzeug betankt werden.Direct refueling independent of gas stations is appropriate where the construction of publicly available natural gas filling stations is not worthwhile, vehicles could be refueled there - and not only those of private transport - where they are during their downtime. This can be in industrial parks, garages or car boards. Many households or buildings have natural gas available for heating purposes. This natural gas can be compressed in the garage by means of a compressor (natural gas compressor) during the night from the usual natural gas pressure level of 50 mbar to 200bar at a reference temperature of 15 ° C. This can be refueled a motor vehicle.
Eine weitere Möglichkeit, ein derartiges Betankungssystem einzusetzen, wird in der Landwirtschaft gesehen, wo Biogas in großen Mengen anfällt. Anstelle dieses Biogas in ein öffentliches Gasnetz einzuspeisen, könnte dieses an Ort und Stelle verdichtet und zum Betreiben von landwirtschaftlichen Fahrzeugen und
Maschinen genutzt werden. Dadurch wäre es zukunftig möglich, den Biodiesei in der Landwirtschaft zu ersetzen. An diesen Verdichter ist u. a. die Forderung zu stellen, dass der Kompressor so beschaffen sein muss, dass eine volle Betankung in einer Nacht (ca, 8 Stunden) bei 200 bar und einer Referenztemperatur von 15°C möglich ist.Another way to use such a refueling system is seen in agriculture, where biogas is produced in large quantities. Instead of feeding this biogas into a public gas grid, this could be compressed on the spot and used to operate agricultural vehicles and Machines are used. This would make it possible in the future to replace biodiesei in agriculture. One of the requirements of this compressor is that the compressor must be capable of full refueling in one night (approx. 8 hours) at 200 bar and a reference temperature of 15 ° C.
Das Hauptproblem eines mehrstufigen Hochdruckverdichters ist die Erwärmung des Gases zwischen den einzelnen Verdichterstufen und die Kühlung des Gases am Verdichteraustritt, das bei Eintritt in den Druckgasbehälter während der Betankung zu keinem Zeitpunkt 600C überschreiten darf.The main problem of a multi-stage high-pressure compressor is the heating of the gas between the individual compressor stages and the cooling of the gas at the compressor outlet, which must never exceed 60 0 C when entering the compressed gas tank during refueling.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mehrstufigen Verdichter so auszubilden, dass es möglich ist, durch Direkt-Betankung einen Druckgasbehälter so zu befüüen, dass ein nach den technischen Regeln vorgegebener Grenzwert des Druckes im Druckgasbehälter bei einer vorgegebenen Grenztemperatur erreicht wird.The invention has the object of providing a multi-stage compressor in such a way that it is possible by direct refueling a Druckgasbehälter befüüen that a predetermined by the technical rules limit value of the pressure in the compressed gas tank is achieved at a predetermined limit temperature.
Der erfindungsgemäße mehrstufige Verdichter ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Hiernach ist dem Hochdruckverdichter ein Vorverdichter vorgeschaltet, der mindestens eine Vorverdichterstufe aufweist, wobei jede Vorverdichterstufe mehrere Kammern enthält, die zu mindestens einer Gruppe zusammengefasst sind, und wobei die Kammern einer Gruppe gemeinsam und synchron angetrieben sind.The multi-stage compressor according to the invention is defined by the patent claim 1. After that, the high-pressure compressor is preceded by a supercharger which has at least one precompressor stage, each precompressor stage containing a plurality of chambers, which are combined to form at least one group, and wherein the chambers of a group are jointly and synchronously driven.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass bei einem Hochdruckverdichter in Membranbauweise zur Reduzierung des Druckverhältnisses nicht die Stufenzahl des Hochdruckverdichters erhöht werden sollte, sondern dem Hochdruckverdichter ein ein- oder mehrstufiger Vorverdichter vorgeschaltet werden sollte.
Durch einen solchen Vorverdichter lässt sich nicht nur das Druckverhältnis π im Hochdruckverdichter absenken, sondern - ohne die Abmessungen des Hochdruckverdichters zu verändern - auch der Massendurchsatz proportional zur Erhöhung des Vordruckes steigern. Durch die Kombination eines Vorverdichters mit einem Hochdruckverdichter - beide in Membranbauweise ausgeführt - kann ein Gasbetankungssystem erstellt werden, das bzgl, seines Massendurchsatzes (Betankungszeit) den unterschiedlichsten Anforderungen entgegen kommt. Erreicht wird dies durch einen ein- oder mehrstufigen Vorverdichter, wenn dessen Membranabmessungen mit den Abmessungen der Membran der ersten Stufe des Hochdruckverdichters identisch sind. Dies ist unabhängig von der Anzahl der Stufen der Fall, wenn für das Druckverhältnis π im Vorverdichter ein ganzzahliger Wert π = 2, 3, 4 ... gewählt wird.The invention is based on the idea that in a high-pressure compressor in membrane construction to reduce the pressure ratio, the number of stages of the high-pressure compressor should not be increased, but the high pressure compressor should be preceded by a single or multi-stage supercharger. By such a supercharger not only the pressure ratio π in the high-pressure compressor can be lowered, but - without changing the dimensions of the high-pressure compressor - also increase the mass flow rate proportional to the increase in the form. By combining a supercharger with a high-pressure compressor - both designed in membrane design - a gas refueling system can be created, which meets, with respect to its mass flow rate (refueling time) the most diverse requirements. This is achieved by a single or multi-stage supercharger, if its membrane dimensions are identical to the dimensions of the first stage diaphragm of the high pressure compressor. This is the case regardless of the number of stages, if an integer value π = 2, 3, 4 ... is selected for the pressure ratio π in the supercharger.
Die Erfindung ermöglicht es, standardisierte Mehrfach-Membranenpumpen zu verwenden. Dabei können sogar die Größen der Pumpenkammern der verschiedenen Stufen untereinander gleich sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, in einer Pumpvorrichtung mit sternförmig angeordneten Pumpenkammem die Pumpenkammern auswechselbar zu machen, so dass Pumpenkammern unterschiedlicher Größen verfügbar sind, die wahlweise in der Pumpvorrichtung montiert werden können.The invention makes it possible to use standardized multi-membrane pumps. Even the sizes of the pump chambers of the different stages can be equal to one another. But it is also possible to make the pump chambers interchangeable in a pumping device with star-shaped pump chambers, so that pump chambers of different sizes are available, which can be optionally mounted in the pumping device.
Bei einer Direkt-Betankung ist es mit einem mehrstufigen Vorverdichter möglich, bis zum Füllende eines Druckgasbehälters bei einem Behälterdruck von 200 bar ein überkritisches Druckverhältnis aufrecht zu erhalten. Dies ermöglicht, wie in DE 10 2005 016 114 Al bereits ausführlich beschrieben, durch Einsatz eines Wirbeirohres oder mit Hilfe eines Eindüselements entsprechend DE 100 31 155 C2 oder nur durch adiabate Drosselung, die Gastemperatur abzusenken, dass eine Temperaturerhöhung durch die Einschiebearbeit ausgeglichen werden kann. Auf diese Weise kann auch bei einer Direkt-Betankung, unabhängig von der Umgebungstemperatur, eine Befüllung mit einem Behälterdruck von 200 bar einer Referenztemperatur von 15°C realisiert werden.
Ist der Hochdruckverdichter erfindungsgemäß ebenfalls als Membranverdichter ausgeführt, so kann dieser mit derselben Drehzahl über eine gemeinsame WeNe mit dem vorgeschalteten Membranvorverdichter betrieben werden.In the case of direct refueling, it is possible with a multistage supercharger to maintain a supercritical pressure ratio until the end of the filling of a pressurized gas container at a tank pressure of 200 bar. This allows, as described in DE 10 2005 016 114 Al already described in detail, by using a Wirbeirohres or using a Eindüselements according to DE 100 31 155 C2 or only by adiabatic throttling to lower the gas temperature that a temperature increase can be compensated by the insertion work. In this way, even with a direct refueling, regardless of the ambient temperature, a filling with a tank pressure of 200 bar a reference temperature of 15 ° C can be realized. If the high pressure compressor according to the invention is also designed as a membrane compressor, it can be operated at the same speed via a common WeNe with the upstream diaphragm pre-compressor.
Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei sehr großen Gasvoiumenströmen die erste und die folgenden Stufen des Vorverdichters in mehrere Membrankammern unterteilt werden, wenn aus materialtechnischen Gründen der für einen großen Volumenstrom erforderfiche Membrandurchmesser nicht ausführbar ist. So kann beispielhaft bei einem einstufigen Vorverdichter mit einem Druckverhältnis π = 2 die erste Stufe des Hochdruckverdichters mit dem doppelten Gasmassenstrom beliefert werden, gegenüber einem Hochdruckverdichter, der ohne Vorverdichter betrieben wird. Um dies zu erreichen, muss der Vorverdichter mit zwei Membrankammern ausgestattet sein, die dieselben Abmessungen haben wie die erste Stufe des Hochdruckverdichters, Je nach der Größe des im Vorverdichter zu erzeugenden Vordrucks und dem dazu proportional ansteigenden Gasmassenstrom sind in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Vorverdichters verschiedene Variationen möglich, die im Folgenden anhand einer einfachen mathematischen Betrachtung erläutert werden.A particularly expedient embodiment of the invention provides that for very large Gasvoiumenströmen the first and subsequent stages of the supercharger are divided into several membrane chambers, if for material reasons, the necessary for a large volume flow membrane diameter is not feasible. For example, in the case of a single-stage supercharger with a pressure ratio π = 2, the first stage of the high-pressure compressor can be supplied with twice the gas mass flow compared to a high-pressure compressor which is operated without a supercharger. To achieve this, the supercharger must be equipped with two membrane chambers, which have the same dimensions as the first stage of the high pressure compressor, depending on the size of the pre-compressor to be produced in the form and increasing gas mass flow are different variations in the inventive design of the supercharger possible, which are explained below with reference to a simple mathematical consideration.
Legt man die geometrische ReihePut the geometric series
l + x + x2 +x3 + xl! (1)l + x + x 2 + x 3 + x l! (1)
zu Grunde, in der der Quotient zweier aufeinander folgender Glieder konstant ist und im vorliegenden Falle mit der Größe x das Druckverhältnis π und mit dem Exponenten n die Anzahl der Membrankammern pro Stufe beschrieben wird, so dass sich die obige Gleichung in der folgenden Formin which the quotient of two consecutive terms is constant and in the present case the size x describes the pressure ratio π and the exponent n the number of membrane chambers per level, so that the above equation has the following form
1 + π + π2 + π3 + π" (2)
darstellen lässt. Aus Gleichung (2) ergibt sich für ein Druckverhältnis von1 + π + π 2 + π 3 + π "(2) let represent. From equation (2) results for a pressure ratio of
π = 2 : 1 + 2 + 4 + 8 + 2" π = 3 : 1 + 3 + 9 + 27 + 3" π = 4 : 1 + 4 + 16 + 64+ 4"π = 2: 1 + 2 + 4 + 8 + 2 "π = 3: 1 + 3 + 9 + 27 + 3" π = 4: 1 + 4 + 16 + 64 + 4 "
wobei bei der praktischen Ausführung zunächst nur die in der folgenden Tabeiie aufgeführten Kombination zu realisieren sind.wherein in the practice of initially only the combination listed in the following Tabeiie are to be realized.
Bei einem Druckverhältnis von π = 2 müssen die beiden Membrankammern der letzten Stufe des Vorverdichters in den Abmessungen mit der ersten Stufe des nachgeschalteten Hochdruckverdichters in Membranbauweise übereinstimmen. Für ein Druckverhäitnis von π = 3 gilt dies für die drei Membrankammern und für ein Druckverhältnis von π = 4 für die vier Membrankammern der letzten Stufe des Vorverdichters,At a pressure ratio of π = 2, the two diaphragm chambers of the last stage of the supercharger must match in dimensions with the first stage of the downstream high-pressure compressor in membrane construction. For a pressure ratio of π = 3, this applies to the three membrane chambers and to a pressure ratio of π = 4 for the four membrane chambers of the last stage of the supercharger,
Unter der Voraussetzung, dass der Vorverdichter mit derselben Drehzahl betrieben wird wie der nachgeschaltete Hochdruckverdichter in Membranweise und der Hub in den einzelnen Membrankammern derselbe ist wie der Membranhub in der ersten Stufe des Hochdruckverdichters, dann lässt sich nachweisen, dass der Durchmesser der Membrankammern stets dem Membrandurchmesser der ersten Stufe des Hochdruckverdichters entspricht. Das Druckverhältnis π muss stets der Anzahl z der Membrankammern/Stufe
entsprechen und eine ganze Zahl π = 2, 3, 4 sein, die unabhängig von dem Stufendruckverhältnis ΠHD im Hochdruckverdichter Ist.Assuming that the supercharger is operated at the same speed as the downstream high pressure compressor in membrane mode and the stroke in the individual diaphragm chambers is the same as the diaphragm stroke in the first stage of the high pressure compressor, then it can be demonstrated that the diameter of the diaphragm chambers always the membrane diameter corresponds to the first stage of the high pressure compressor. The pressure ratio π must always be the number z of the membrane chambers / stage and an integer π = 2, 3, 4 which is independent of the step pressure ratio Π HD in the high-pressure compressor.
Für einen einstufigen Vorverdichter mit dem Druckverhältnis π = 4, einem Durchmesser Di undFor a single stage supercharger with the pressure ratio π = 4, a diameter Di and
4 Membrankammern in der 1. Stufe: Z1 = 44 membrane chambers in the 1st stage: Z 1 = 4
lässt sich zeigen, dasslets show that
L Stufe : V1 = Z, *^2 = 4D1 2 HD1 : V([DI = Vl/π = (4D,3)/4L stage: V 1 = Z, * ^ 2 = 4D 1 2 HD 1 : V ([DI = V l / π = (4D, 3 ) / 4
D I ID1 = (D1~ ) = D! D I ID1 = ( D 1 ~) = D !
ist.is.
Hierin ist V1 das Volumen der 1. Stufe, D1 der Durchmesser der 1. Stufe des Vorverdichters, HDi der Durchmesser der ersten Stufe des Hochdruckverdichters, VHDI das Volumen der 1. Stufe des Hochdruckverdichters, DHDI der Durchmesser der 1. Stufe des Hochdruckverdichters, Zn ist die Anzahl der Membranpumpen in der Stufe n.Here, V 1 is the volume of the first stage, D 1 is the diameter of the first stage of the supercharger, HDi is the diameter of the first stage of the high pressure compressor, V HDI is the volume of the first stage of the high pressure compressor, D is HDI the diameter of the first stage of the high pressure compressor, Z n is the number of diaphragm pumps in stage n.
Für einen zweistufigen Vorverdichter mit dem Drückverhältnis π = 3, einem Durchmesser Di undFor a two-stage supercharger with the spinning ratio π = 3, a diameter Di and
9 Membrankammern in der 1, Stufe, Zi = 9 3 Membrankammern in der 2. Stufe, Z2 = 39 membrane chambers in the 1, step, Zi = 9 3 membrane chambers in the 2nd step, Z 2 = 3
erhält man
1 Stufe:V]=z,*Ds 2=9Di 2 you get 1 stage: V ] = z, * D s 2 = 9D i 2
2 Stufe: V2= V1 /π = (9D,2)/3 = 3D,2 2 stage: V 2 = V 1 / π = (9D, 2 ) / 3 = 3D, 2
D2 = (3D1- / Z2 )" 5 = (3DP 2 / 3)(U = Dl HD1: V1101 =V2/π = (3D,2)/3 D1101=(D1 2)05=D,D 2 = (3D 1 - / Z 2 ) " 5 = (3D P 2/3 ) (U = DI HD 1 : V 1101 = V 2 / π = (3D, 2 ) / 3 D 1101 = (D 1 2 ) 05 = D,
und einen dreistufigen Vorverdichter mit dem Druckverhältnis π = 2, einem Durchmesser Di sowieand a three-stage supercharger with the pressure ratio π = 2, a diameter Di and
8 Membrankammern in der 1. Stufe, Z1 = 8 4 Membrankammern in der 2. Stufe, Z2 = 4 2 Membrankammern in der 3. Stufe, Z3 = 28 membrane chambers in the 1st stage, Z 1 = 8 4 membrane chambers in the 2nd stage, Z 2 = 4 2 membrane chambers in the 3rd stage, Z 3 = 2
erhält manyou get
I, Stufe: V1 = z, *D," = 8D,~ I, step: V 1 = z, * D, " = 8D, ~
2. Stufe: V, = V1 /rc = (8D,2)/2 = 4D,2nd stage: V, = V 1 / rc = (8D, 2 ) / 2 = 4D,
Da=(4Dι-/z3fi=(4Dl "/4) \O,5 D,D a = (4D ι - / z 3 f i = (4D l " / 4) \ O, 5 D,
3,Stufe:V3=V2/π = (4D| 2)/2 = 2D,3, step: V 3 = V 2 / π = (4D | 2 ) / 2 = 2D,
D3=(2D1 2/z3)0-s=(2Dl 2/2)os=Dι D 3 = (2D 1 2 / z 3) 0 - s = (2D l 2/2) = D os ι
HD1: VHDi=V3/π = (2D1 2)/2 = Dι 2 D1101=(D1 2)"-5= D1 HD 1 : V HDi = V 3 / π = (2D 1 2 ) / 2 = D ι 2 D 1101 = (D 1 2 ) "- 5 = D 1
Ein besonderer Vorteil eines in dieser Weise ausgebildeten Vorverdichters wird darin gesehen, dass bei der Unterteilung der Stufen in einzelne Membrankammern sich kostsparend gleiche Bauteile verwenden lassen. Dies sind als wesentliche Teile des Vorverdichters die Membranen der Membrankammern, die alle dieselben Abmessungen haben wie die Membran der ersten Stufe des nachgeschalteten Hochdruckverdichters in Membranbauweise. Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin, dass die Abmessungen der Membran
bzw. der Membrankammern unabhängig von denn Druckverhältnis, dem Volumendurchsatz und dem angestrebten Ausgangsdruck des Vorverdichters sind. Gemäß der Erfindung ist es weiterhin möglich, durch einen Vorverdichter das Fördervolumen eines Hochdruckverdichters in Membranbauweise wahlweise zunächst um das zwei- bis neunfache gegenüber einem Betrieb ohne Vorverdichter zu steigern.A particular advantage of a pre-compressor designed in this way is that in the subdivision of the stages into individual membrane chambers, the same components can be used to save costs. These are as essential parts of the supercharger, the membranes of the membrane chambers, which all have the same dimensions as the membrane of the first stage of the downstream high-pressure compressor in membrane construction. Another advantage of the invention is that the dimensions of the membrane or the diaphragm chambers are independent of the pressure ratio, the volume flow rate and the desired outlet pressure of the supercharger. According to the invention, it is also possible to increase by a supercharger, the delivery volume of a high-pressure compressor in membrane design either initially by two to nine times compared to an operation without a pre-compressor.
Im Folgenden werden Ausführungsbeϊsptele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.In the following Ausführungsbeϊsptele the invention are explained in detail with reference to the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Mehrkammer-1 is a schematic longitudinal section through a multi-chamber
Membranpumpe mit sternförmig um eine Nockenwelle herum angeordneten Membrankammern,Diaphragm pump with star-shaped diaphragm chambers arranged around a camshaft,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Verdichters aus Vorverdichter und ein- oder mehrstufigem Hochdruckverdichter in Membranbauweise,2 shows an embodiment of a compressor of supercharger and single or multi-stage high-pressure compressor in membrane construction,
Fig. 3 einen schematischen Überblick über den Aufbau und die Aufteilung der Membrankammern bei einem Verdichter mit einstufigem Vorverdichter und einstufigem Hochdruckverdichter,3 is a schematic overview of the structure and the division of the membrane chambers in a compressor with single-stage supercharger and single-stage high-pressure compressor,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit zweistufigem Vorverdichter und einstufigem Hochdruckverdichter,4 shows an exemplary embodiment with two-stage supercharger and single-stage high-pressure compressor,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel mit dreistufigem Vorverdichter und einstufigem Hochdruckverdichter,5 shows an exemplary embodiment with three-stage supercharger and single-stage high-pressure compressor,
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Nockenwelle bei einem einstufigen Vorverdichter,
Fig. 7 eine Ansicht der Nockenwelle bei einem zweistufigen Vorverdichter und6 is a schematic representation of the camshaft in a single-stage supercharger, Fig. 7 is a view of the camshaft in a two-stage supercharger and
Fig. 8 eine Ansicht der Nockenwelle bei einem dreistufigen Vorverdichter.Fig. 8 is a view of the camshaft in a three-stage supercharger.
In Figur 1 ist eine Membrankammerpumpe 50 schematisch dargestellt. In einem Gehäuse 51 ist eine Nockenwelle 52 gelagert, die mehrere sternförmig um die Nockenwelle herum angeordnete Membranpumpenkammern 53 steuert. Jede Membranpumpenkammer 53 ist durch eine flexible Membran 54 begrenzt, die zwischen zwei Endstellungen bewegbar ist. Die Membranpumpenkammer 53 weist eine Einlassleitung 64 mit einem Rückschlagventil 55 und eine Auslassleitung 66 mit einem Rückschlagventil 57 auf. Durch die Einlassleitung 64 wird Gas angesaugt und durch die Auslassleitung 66 wird das komprimierte Gas ausgestoßen.1 shows a diaphragm chamber pump 50 is shown schematically. In a housing 51, a camshaft 52 is mounted, which controls a plurality of star-shaped arranged around the camshaft diaphragm pump chambers 53. Each diaphragm pumping chamber 53 is defined by a flexible membrane 54 which is movable between two end positions. The diaphragm pump chamber 53 has an inlet line 64 with a check valve 55 and an outlet line 66 with a check valve 57. Gas is drawn in through the inlet line 64, and the compressed gas is expelled through the outlet line 66.
Die Bewegung der Membran 54 erfolgt durch ein Flüssigkeitspolster 58, das in einem Zylinder 59 enthalten ist, in dem ein Kolben 60 bewegbar ist. Eine Feder 61 drückt den Kolben 60 gegen ein Kugellager 62, das auf der Nockenwelle 52 sitzt und einen Exzenter für den Antrieb des Kolbens bildet. Der Kolben 60 führt eine Linearbewegung in dem Zylinder 59 aus, wodurch über das Flussigkeitspolster 58 die Membran 54 zwischen ihren Endstellungen bewegt wird.The movement of the membrane 54 is effected by a liquid cushion 58 which is contained in a cylinder 59 in which a piston 60 is movable. A spring 61 pushes the piston 60 against a ball bearing 62 which sits on the camshaft 52 and forms an eccentric for driving the piston. The piston 60 performs a linear movement in the cylinder 59, whereby the membrane 54 is moved via the Flussigkeitspolster 58 between their end positions.
In Figur 1 sind außer dem Kugellager 62 noch weitere Kugellager auf der Nockenwelle 52 dargestellt. Diese dienen zur Betätigung der übrigen Membrankammern, die sternförmig um die Nockenwelle herum angeordnet sind.In Figure 1, in addition to the ball bearing 62 further ball bearings on the camshaft 52 are shown. These serve to actuate the remaining diaphragm chambers, which are arranged in a star shape around the camshaft.
Das Flussigkeitspolster 58 wird durch eine (nicht dargestellte) Pumpvorrichtung mit Flüssigkeit versorgt bzw. gefüllt gehalten, die ebenfalls von der Nockenwelle angetrieben wird.
In Figur 2 ist ein Verdichter dargestellt, der aus einem Vorverdichter VV und einem Hochdruckverdichter HD besteht. Der Vorverdichter besteht aus dem in Figur 1 dargestellten Mehrfach-Membranverdichter. Er weist vier Membranpumpenkammern 11, 12, 13, 14 auf, die von derselben Nockenwelle gesteuert werden. Die Ausiassleitungen der Membranpumpenkammern sind in Figur 2 dargestellt Sie sind mit einem Sammler 70 verbunden, der zu einer Membranpumpenkammer HDl des Hochdruckverdichters HD führt. Der Hochdruckverdichter ist hier ebenfalls als nockenwellengesteuerte Membranpumpe ausgebildet, wobei die übrigen Membranpumpenkammern als weitere Stufen des Hochdruckverdichters benutzt werden können oder auch für andere Zwecke.The Flussigkeitspolster 58 is supplied by a (not shown) pumping device with liquid or filled, which is also driven by the camshaft. FIG. 2 shows a compressor which consists of a supercharger VV and a high-pressure compressor HD. The supercharger consists of the multiple diaphragm compressor shown in FIG. It has four diaphragm pump chambers 11, 12, 13, 14, which are controlled by the same camshaft. The Auslassleitungen the diaphragm pump chambers are shown in Figure 2 They are connected to a collector 70, which leads to a diaphragm pump chamber HDL of the high-pressure compressor HD. The high-pressure compressor is also designed here as a camshaft-controlled diaphragm pump, wherein the remaining diaphragm pump chambers can be used as further stages of the high-pressure compressor or for other purposes.
In dem Vorverdichter VV sind alle Membranpumpenkammern 11 - 14 synchron und gleichphasig gesteuert. Dies bedeutet, dass alle Kammern gleichzeitig ansaugen und das verdichtete Gas gleichphasig ausstoßen. Ebenso sind Vorverdichter VV und Hochdruckverdichter HD miteinander synchronisiert, wobei diejenige Kammer HDl, die das komprimierte Gas des Vorverdichters VV aufnimmt, gegenphasig zum Vorverdichter angetrieben ist. Mit anderen Worten: Wenn der Vorverdichter Gas ausstößt, muss die Kammer HDl sich in der Position zum Aufnehmen von Gas befinden.In the supercharger VV all diaphragm pump chambers 11-14 are synchronously and in phase controlled. This means that all chambers suck in at the same time and eject the compressed gas in phase. Likewise, supercharger VV and high-pressure compressor HD are synchronized with each other, wherein the chamber HDL, which receives the compressed gas of the supercharger VV, is driven in phase opposition to the supercharger. In other words, when the supercharger discharges gas, the chamber HD1 must be in the position for receiving gas.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass der Vorverdichter ein Verdichtungsverhältnis von π = 4 hat. Dies bedeutet, dass das gesamte vom Vorverdichter aufgenommene Gas im Vorverdichter auf ein Viertel seines Volumens komprimiert wird. Da andererseits die Volumina von vier Kammern zusammengeführt sind, ergibt sich im komprimierten Zustand das Gasvolumen, das etwa dem Volumen einer der Kammern des Vorverdichters entspricht. Daher hat die das Gas aufnehmende Kammer HDl des Hochdruckverdichters etwa das gleiche Volumen wie eine der Kammern des Vorverdichters,
Figur 3 zeigt den Aufbau eines einstufigen Vorverdichters mit vier Membrankammern, die jeweils ein Druckverhältnis von π = 4 und einen Abgabedruck pA = 4 bar haben. Die erste Ziffer in den schematisiert dargestellten Membrankammern bezieht sich auf die Verdichterstufe, mit der zweiten Ziffer ist die Anzah! der Membrankammern in der zugeordneten Stufe durchnumeriert. Mit HDl ist die erste Stufe des nachgeschaSteten Hochdruckverdichters bezeichnet, deren Abmessungen mit den einzelnen Membrankammern des Vorverdtchters identisch sind.In the present embodiment, it is assumed that the supercharger has a compression ratio of π = 4. This means that all of the gas taken up by the supercharger in the supercharger is compressed to one quarter of its volume. On the other hand, since the volumes of four chambers are merged, resulting in the compressed state, the gas volume which corresponds approximately to the volume of one of the chambers of the supercharger. Therefore, the gas accommodating chamber HDL of the high-pressure compressor has approximately the same volume as one of the chambers of the supercharger, Figure 3 shows the structure of a single-stage supercharger with four diaphragm chambers, each having a pressure ratio of π = 4 and a discharge pressure p A = 4 bar. The first digit in the schematic diaphragm chambers refers to the compressor stage, with the second digit is the Anzah! the membrane chambers numbered consecutively in the assigned stage. HDl designates the first stage of the downstream high-pressure compressor whose dimensions are identical to the individual diaphragm chambers of the predverdester.
Figur 4 zeigt den entsprechenden Aufbau eines zweistufigen Vorverdichters für ein Druckverhältnis von π = 3 und einen Abgabedruck von pA = 9 bar, wobei insgesamt zwölf Membrankammern im Vorverdichter zur Anwendung kommen. Schließlich ist in Figur 5 der Aufbau für einen dreistufigen Vorverdichter in Membranbauweise dargestellt. Hierbei wurde ein Druckverhältnis von π = 2 gewählt, womit in der dritten Stufe des Vorverdichters ein Abgabedruck pA = 8 bar bei insgesamt vierzehn Membrankammern erreicht wird.Figure 4 shows the corresponding structure of a two-stage supercharger for a pressure ratio of π = 3 and a discharge pressure of p A = 9 bar, with a total of twelve membrane chambers are used in the supercharger. Finally, the structure for a three-stage supercharger in membrane construction is shown in FIG. Here, a pressure ratio of π = 2 was selected, whereby in the third stage of the supercharger, a discharge pressure p A = 8 bar is achieved with a total of fourteen membrane chambers.
Bei dem Ausfύhrungsbeispie! von Figur 3 besteht der Vorverdichter VV aus einer einzigen Stufe Si mit n = 4 Kammern, wobei das Verdichtungsverhältnis π - 4 ist. Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 4 besteht der Vorverdtchter VV aus zwei Stufen Sx, S2, wobei jede Stufe n = 3 Kammern aufweist, die zu einer Gruppe Gi - G3 zusammengefasst sind. Bei dem Ausführungsbeispie! von Figur 5 besteht der Vorverdichter VV aus drei Stufen Si, S2, S3, wobei in der ersten Stufe S1 vier Gruppen von Kammern gebildet sind und jede Gruppe aus n = 2 Kammern besteht. Das Verdichtungsverhältnis π beträgt ebenfalls 2. Auch in der zweiten Stufe sind jeweils zwei Kammern zu einer Gruppe zusammengefasst; desgleichen in der dritten Stufe S3.
In Figur 6 ist der Querschnitt und die Ansicht der Nockenwelle für einen einstufigen Vorverdichter gezeigt. Durch die exzentrische Form der Nockenwelle, der sich über einen Bereich von 0° bis 180° erstreckt, wie aus dem Querschnitt hervorgeht, werden die einzelnen Membranen in den Membrankammern des Vorverdichters während einer halben Umdrehung der Nockenwelle angesteuert. Die im Zweitaktverfahren betriebenen Membrankammern saugen im ersten Vierte! bis zum oberen Totpunkt bei 90° das Gas an und verdichten es, um danach im zweiten Viertel den Ausschiebevorgang einzuleiten, der bei einem Nockenwinkel von 180° abgeschlossen ist. Wie aus der Ansicht hervorgeht, strömt bei einem einstufigen Vorverdichter mit vier Membrankammern das gesamte Gasvolumen in die erste Stufe des nachgeschalteten Hochdruckverdichters. In der Ansicht bezieht sich die erste Ziffer in dem schematisierten Exzenter der Nockenweile auf die Verdichterstufe im Vorverdichter, mit der zweiten Ziffer wird die laufende Nummer der in der betreffenden Verdichterstufe vorhandenen Membrankammem angegeben.In the Ausfbehrungsbeispie! of FIG. 3, the supercharger VV consists of a single stage Si with n = 4 chambers, the compression ratio being π-4. In the embodiment of FIG. 4, the predverdester VV consists of two stages S x , S 2 , each stage having n = 3 chambers, which are combined to form a group Gi - G 3 . In the Ausführungsbeispie! of Figure 5, the supercharger VV of three stages Si, S 2 , S 3 , wherein in the first stage S 1 four groups of chambers are formed and each group consists of n = 2 chambers. The compression ratio π is also 2. Also in the second stage two chambers are combined into one group; likewise in the third stage S 3 . FIG. 6 shows the cross section and the view of the camshaft for a single-stage supercharger. Due to the eccentric shape of the camshaft, which extends over a range of 0 ° to 180 °, as can be seen from the cross section, the individual membranes are driven in the diaphragm chambers of the supercharger during half a revolution of the camshaft. The operated in the two-stroke diaphragm chambers suck in the first Fourth! until the top dead center at 90 °, the gas and compress it to then initiate the Ausschieben in the second quarter, which is completed at a cam angle of 180 °. As can be seen from the view flows in a single-stage supercharger with four diaphragm chambers, the entire gas volume in the first stage of the downstream high-pressure compressor. In the view, the first digit in the schematic eccentric of the cam period refers to the compressor stage in the supercharger, the second digit indicates the serial number of the diaphragm combs present in the relevant compressor stage.
In Figur 7 ist der Querschnitt und die Ansicht der Nockenwelle am Beispiel eines zweistufigen Vorverdichters dargestellt. Allerdings beginnt hier in der ersten Stufe das Ansaugen und Verdichten des Gases bei einer Nockenwellenstellung von 180°, der obere Totpunkt liegt bei einem Nockenwinke! von 270° und das Ausschieben in die zweite Stufe des Vorverdichters ist bei einem Nockenwinkel von 0° beendet. Der zeitliche Ablauf des Ansaugens der Kompression und des Ausschiebens des Gases in die erste Stufe des nachgeschaiteten Hochdruckverdichters erfolgt dann in der zweiten Stufe wie bei dem einstufigen Vorverdichter,FIG. 7 shows the cross section and the view of the camshaft using the example of a two-stage supercharger. However, in the first stage, the intake and compression of the gas starts at a camshaft position of 180 °, the top dead center is at a cam angle! of 270 ° and the pushing out into the second stage of the supercharger is completed at a cam angle of 0 °. The timing of the suction of the compression and the expulsion of the gas in the first stage of the high-pressure compressor nachgeschaiteten then takes place in the second stage as in the single-stage supercharger,
In Figur 8 ist der Ablauf der Steuerung der Membranen in den Membrankammern durch eine Nockenwelle für einen dreistufigen Vorverdichter mit einem niedrigen Stufendruckverhältnis von π = 2 im Querschnitt und in der Ansicht gezeigt. DerFIG. 8 shows the sequence of the control of the membranes in the membrane chambers by a camshaft for a three-stage supercharger with a low step pressure ratio of π = 2 in cross section and in the view. Of the
Kompressionsvorgang der ersten Stufe beginnt bei einer Nockenwinkelstellung von 0°, wird im oberen Totpunkt bei einem Nockenwinkel von 90°
abgeschlossen, worauf sich der Ausschiebevorgang in die zweite Verdichterstufe anschließt, der bei einem Nockenwinkel von 180° beendet ist, Die zweite Verdichterstufe hat ihren oberen Totpunkt bei einem Nockenwinke! von 270°, dem der Ausschiebevorgang in die dritte Verdichterstufe bis zu einem Nockenwinkel von 0° folgt. Diese hat wiederum ihren oberen Totpunkt bei einem Nockenwinkel von 90° und endet mit dem anschließenden Ausschieben der Gasströmung aus den zwei Membrankammern der ersten Stufe des Vorverdichters in die erste Stufe eines nachgeschaiteten Hochdruckverdichters. Dieser Vorgang ist bei einem Nockenwinkel von 180° abgeschlossen.The first stage compression operation begins at a cam angle position of 0 °, becomes at top dead center at a cam angle of 90 ° completed, followed by the Ausschiebevorgang followed in the second compressor stage, which is completed at a cam angle of 180 °, the second compressor stage has its top dead center with a cam angle! of 270 °, followed by the Ausschiebevorgang in the third compressor stage up to a cam angle of 0 °. This in turn has its top dead center at a cam angle of 90 ° and ends with the subsequent expulsion of the gas flow from the two diaphragm chambers of the first stage of the supercharger in the first stage of a high-speed downstream high-pressure compressor. This process is completed at a cam angle of 180 °.
Die von der als Exzenter ausgeführten Nockenwelle zu steuernden Gaskräfte sind in ihrem Massenträgheitsmoment nur bei der zweistufigen Ausführung des Vorverdichters (Figur 7) ausgeglichen. Das bedeutet, dass nur bei einer geradzahligen Verdichterstufenzahl das durch die Gaskräfte verursachte Massenträgheitsmoment auszugleichen ist. Bei einer ungeraden Stufenzahl (Figuren 6 und 8) sind die Gaskräfte einer Stufe, die das nicht auszugleichende Massenträgheitsmoment verursachen, durch ein umlaufendes Gegengewicht an der Nockenwelle auszugleichen.
The gas forces to be controlled by the camshaft designed as an eccentric are balanced in their mass moment of inertia only in the two-stage design of the supercharger (FIG. 7). This means that only with an even number of compressor stages, the mass moment of inertia caused by the gas forces must be compensated. With an odd number of stages (FIGS. 6 and 8), the gas forces of one stage, which cause the mass moment of inertia not to be compensated, are compensated by a revolving counterweight on the camshaft.
Claims
1. Mehrstufiger Verdichter mit einem Hochdruckverdichter (HD), der mindestens eine periodisch angetriebene Membranpumpenkammer (HDl) aufweist,1. Multi-stage compressor with a high-pressure compressor (HD), which has at least one periodically driven diaphragm pump chamber (HDI),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,characterized,
dass dem Hochdruckverdichter (HD) ein Vorverdichter (VV) vorgeschaltet ist, der mindestens eine Vorverdichterstufe (S1 - S3) aufweist, wobei jede Vorverdichterstufe mehrere Kammern (11 - 14) enthält, die zu mindestens einer Gruppe (Gi - G4) zusammengefasst sind, undin that the high-pressure compressor (HD) is preceded by a precompressor (VV) which has at least one precompressor stage (S 1 -S 3 ), each precombustor stage containing a plurality of chambers (11-14) belonging to at least one group (Gi - G 4 ) are summarized, and
dass die Kammern einer Gruppe gemeinsam und synchron angetrieben sind.that the chambers of a group are driven together and synchronously.
2. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (n) der Kammern einer Gruppe (Gi - G4) des Vorverdichters (VV) im wesentlichen gleich dem Verdichtungsverhältnis (π) dieser Stufe ist.2. Multi-stage compressor according to claim 1, characterized in that the number (n) of the chambers of a group (Gi - G 4 ) of the supercharger (VV) is substantially equal to the compression ratio (π) of this stage.
3. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorverdichter (VV) mindestens zwei Vorverdichterstufen (Si - S3) enthält, wobei jede Kammer der zweiten Vorverdichterstufe (S2) von einer Gruppe (G1 - G4) von Kammern der ersten Vorverdichterstufe (Si) gespeist wird.3. Multi-stage compressor according to claim 1 or 2, characterized in that the supercharger (VV) contains at least two Vorverdichterstufen (Si - S 3 ), each chamber of the second Vorverdichterstufe (S2) of a group (G 1 - G 4 ) of Chambers of the first Vorverdichterstufe (Si) is fed.
4. Mehrstufiger Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Vorverdichterstufe (S3) vorgesehen ist, in der jede Kammer von einer Gruppe von Kammern der zweiten Vorverdichterstufe (S2) gespeist wird,4. Multi-stage compressor according to claim 3, characterized in that a third Vorverdichterstufe (S 3 ) is provided, in which each chamber of a group of chambers of the second precompressor stage (S 2 ) is fed,
5. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern von einer oder mehreren miteinander synchronisierten Nockenwellen (52) angetrieben sind und dass bei einer halben Umdrehung einer Nockenwelle zwischen 0° und 180° nach dem Zweitaktverfahren ein Ansaugen und Verdichten des Gases in den Kammern (53) erfolgt, welches am oberen Totpunkt bei einem Nockenwinkel von 90° abgeschlossen ist und dem sich ein Ausschieben des Gases bis zu einem Nockenwinkel von 180° in die folgende Stufe anschließt.5. Multi-stage compressor according to one of claims 1 - 4, characterized in that the chambers of one or more synchronized with each other camshaft (52) are driven and that at half a revolution of a camshaft between 0 ° and 180 ° after the two-stroke suction and Compressing the gas in the chambers (53) takes place, which is completed at top dead center at a cam angle of 90 ° and followed by a pushing out of the gas to a cam angle of 180 ° in the following stage.
6. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung des Gases bei mehreren Kammern in einer Stufe des Vorverdichters (VV) zeitlich synchron abläuft und am Ende der Kompression das Gas ebenfalls zeitlich synchron an zwei oder mehr Kammern der folgenden Stufe des Vorverdichters abgegeben wird.6. Multi-stage compressor according to one of claims 1-5, characterized in that the compression of the gas in a plurality of chambers in one stage of the supercharger (VV) takes place synchronously in time and at the end of the compression, the gas also synchronously in time to two or more chambers following stage of the supercharger is delivered.
7. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass das aus zwei oder mehr Kammern der letzten Stufe des Vorverdichters austretende Gas am Ende des Verdichtungshubes in die erste Stufe eines Hochdruckverdichters (HD) eingeleitet wird.7. Multi-stage compressor according to one of claims 1-6, characterized in that the emerging from two or more chambers of the last stage of the supercharger gas is introduced at the end of the compression stroke in the first stage of a high pressure compressor (HD).
8. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Membrankammern (53) des Vorverdichters (VV) so ausgelegt sind, dass Membranen (52) mit gleichem Durchmesser für unterschiedliche Baugrößen eines Membranverdϊchters, die einen Bereich der mehrfachen Druckerhöhung und Gasförderung abdeckt, verwendbar sind. 8. Multi-stage compressor according to one of claims 1-7, characterized in that the dimensions of the diaphragm chambers (53) of the supercharger (VV) are designed so that membranes (52) of the same diameter for different sizes of Membranverdϊchters, the one area of covering multiple pressure boosting and gas production.
9. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer geradzahligen Stufenzah! des Vorverdichters (VV) das durch die Gaskräfte verursachte Massenträgheitsmoment ausgeglichen ist.9. Multi-stage compressor according to one of claims 1 - 8, characterized in that in an even-numbered stages! of the supercharger (VV) is compensated by the moment of inertia caused by the gas forces.
10. Mehrstufiger Verdichter nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer ungeradzahligen Stufenzahi des Vorverdichters (VV) das durch die Gaskräfte einer Stufe verursachte und nicht ausgeglichene Massenträgheitsmoment durch ein umlaufendes Gegengewicht an der Nockenwelle ausgeglichen wird. 10. Multi-stage compressor according to one of claims 1-9, characterized in that at an odd-numbered Stufenzahi the supercharger (VV) caused by the gas forces of a stage and unbalanced mass moment of inertia is compensated by a rotating counterweight on the camshaft.
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