WO2017016635A1 - Vorrichtung zur druckerhöhung eines fluids, insbesondere in form eines druckgasflaschenventils - Google Patents

Vorrichtung zur druckerhöhung eines fluids, insbesondere in form eines druckgasflaschenventils Download PDF

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Sascha Dorner
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a device for increasing the pressure of a fluid, in particular in the form of a compressed gas cylinder valve, and a method for increasing the pressure of a fluid by means of a device according to the invention.
  • Prior art compressed gas reservoirs have at least one valve which serves as a shut-off valve or throttling device.
  • valves with a
  • valves are usually screwed in via threads and fixed and sealed with, for example, Teflon.
  • the invention is therefore based on the object to provide a device for increasing the pressure of fluids and a method for increasing the pressure of a fluid with which in a safer, easier and more cost-effective way a removal of Gas from gas storage and in particular an overflow of gas, for example in a second gas storage is possible.
  • a device according to the invention for increasing the pressure of a fluid on a suction channel a compression chamber with a volume and a pressure channel.
  • the compression chamber can be brought into fluid communication with the suction channel, so that via the suction channel fluid in the
  • the compression chamber is sucked. Furthermore, the compression chamber can be brought into flow communication with the pressure channel, so that compressed fluid can be dispensed from the compression chamber via the pressure channel.
  • the device furthermore has a double membrane, which has a first membrane and a second membrane adjacent to the first membrane. The double membrane adjoins the compression chamber and the device is adapted to the
  • Double membrane by means of a hydraulic fluid to deform or move so that the volume of the compression chamber of the device increases in a suction stroke, so that fluid through the suction channel into the compression chamber of the
  • Device is sucked, and that reduces the volume of the compression chamber of the device in a pressure cycle, so that in the compression chamber compressed fluid can be dispensed from the device via the pressure channel.
  • Gas tanks e.g. Hydrogen tanks, by home users (home refueling) dar.
  • the torque required for operating the device for increasing the pressure can be provided via a suitable coupling means, inter alia, by commercially available low-power drills or cordless screwdrivers, so that the device for
  • Pressure increase preferably without an internal motor manages, whereby both the size and the cost of the pressure increase device can be kept low.
  • Another advantage of the invention is the use of a double diaphragm to seal the hydraulic fluid chamber. This effectively counteracts mixing of working fluid and hydraulic fluid, preventing malfunctioning and thus providing greater safety to the user.
  • Pressure relief valve and a safety valve which prevent hazards to the user by increasing pressures in the pressure increase device.
  • Device may also include a heat exchanger for cooling of escaping gas, whereby the user from possible scalds through
  • the fluid to be compressed may be a gas, a gas mixture or a liquid / gas mixture, preferably a gas, more preferably hydrogen gas.
  • the hydraulic fluid is a
  • Hydraulic fluid more preferably an incompressible hydraulic fluid. According to a further advantageous embodiment of the invention is the
  • Double membrane of the device sealed so that mixing of the working fluid to be compressed and the hydraulic fluid is prevented. Furthermore, the double membrane is preferably gas-tight, so that in the
  • Compression chamber located gas can not leave the compression chamber through the double membrane.
  • the device further comprises a hydraulic fluid chamber for receiving the hydraulic fluid and a
  • Displacement piston which is arranged in the hydraulic fluid chamber or projects into this.
  • the displacement piston is designed to press the hydraulic fluid to deform or move the double diaphragm against the double diaphragm.
  • the hydraulic fluid chamber and the displacer have a circular cross-sectional area.
  • the displacer presses the hydraulic fluid in the pressure cycle against the double diaphragm.
  • the displacer is displaceable by the eccentric in a periodic reciprocating motion, so that alternately present a pressure and a suction cycle.
  • the eccentric on a circular cross-sectional area or a cam shape or is formed as a cam, which may have a circumference which deviates from a circular shape
  • the device for increasing the pressure of a fluid for driving or rotating the eccentric on a coupled to the eccentric drive shaft can be fixed to the drive shaft.
  • the drive shaft is preferably adapted to the eccentric by rotation of the drive shaft about its longitudinal or cylindrical axis in the said
  • the drive shaft is adapted to be mechanically connected or preferably coupled to a device for generating a torque.
  • the drive shaft of the device is designed to be coupled or driven with an external, in particular mobile drive, so that the drive shaft rotates as intended, wherein in such a drive, e.g. can be a drill or a cordless screwdriver.
  • a drive e.g. can be a drill or a cordless screwdriver.
  • first fluid container e.g., pressurized gas bottle, see below
  • the device has a
  • Outlet for dispensing compressed fluid or for connecting a second fluid container (or a conduit), so that the pressure channel in
  • the first fluid container is a gas container, preferably a compressed gas container, particularly preferably one
  • the device has a suction valve which is adapted to the flow connection between the
  • the suction valve has a first body, in particular in the form of a ball, and a (first) biasing means, preferably a (first) compression spring, on.
  • first biasing means is so tensioned, that the first body by means of the tensioned first biasing means is stable in a position in which the first body closes the flow connection between the compression chamber and the suction channel.
  • a valve is also referred to as a spring-biased ball valve.
  • the suction valve may in particular also be a flutter valve, in particular of a fiber-reinforced (for example carbon fiber) plastic, in which case the first body also simultaneously forms the (second) biasing means.
  • flutter valves are designed to open without separate drive due to pressure differences on the two valve sides in the forward direction and close automatically again.
  • the flutter valve or the corresponding body in this case has elastic properties that allow the closure of the flutter valve.
  • the device has a pressure valve which is designed to close or interrupt the flow connection between the compression chamber and the pressure channel during the suction cycle and to open during, in particular at the end, the pressure cycle, so that the compressed fluid can be dispensed from the compression chamber or from the device via the pressure channel.
  • this pressure valve has a second body, in particular in the form of a ball, and a (second) biasing means, preferably in the form of a (second) compression spring on. This is the second one
  • the pressure valve can also be a flutter valve (see above).
  • the device has a
  • Heat exchanger which is adapted to cool out of the pressure channel emerging fluid. Accordingly, that heat exchanger is arranged in particular downstream of the pressure channel or on the pressure channel. According to a further advantageous According to the inventors, the said heat exchanger is configured to use ambient air as the coolant. Furthermore, the heat exchanger can use a liquid coolant and can be configured in particular for evaporative cooling.
  • the heat exchanger is designed so that the temperature of the emerging from the pressure channel fluid by at least 50 ° C to 175 ° C, in particular 75 ° C to 175 ° C, in particular 100 ° C to 175 ° C, in particular 125 ° C to 175 ° C, in particular 150 ° C to 175 ° C, in particular by at least 175 ° C is lowered.
  • the device comprises a leakage indicating means, which is adapted to a discharge of
  • the device has a pressure relief valve.
  • the pressure limiting valve has a guided in a cylinder piston, wherein the cylinder opens into the hydraulic fluid chamber of the device.
  • the pressure relief valve further includes a (third) biasing means for biasing the piston against hydraulic fluid in the hydraulic fluid chamber.
  • the third biasing means is adapted to bias the piston against the hydraulic fluid so that the piston moves when exceeding a maximum pressure and thereby limits the pressure of the hydraulic fluid.
  • Hydraulic fluid chamber opens and which by the movement of the piston in Fluid communication is made with the hydraulic fluid chamber and is made free.
  • Pressure limiting valve closed by a closure means relative to the surrounding atmosphere, wherein the closure means projects in particular into the cylinder and is preferably sealed by means of a sealing means.
  • the closure means / sealing means separates the hydraulic fluid in the hydraulic fluid chamber from a rear side of the pressure limiting valve, which is loaded with atmospheric pressure.
  • the third biasing means is supported on the closure means.
  • Biasing means is thus arranged in particular between the piston and the closure means, wherein in particular the piston and the closure means in the direction of the longitudinal or cylindrical axis of the cylinder face each other.
  • the third biasing means increases in tension, the piston moves toward the closure means and the cylinder is progressively released, allowing hydraulic fluid to flow into the cylinder to limit pressure.
  • the cross section of the piston or displacer is meant perpendicular to the direction of movement of the respective piston.
  • the third biasing means is configured as a third compression spring, wherein the third compression spring is adapted to press the piston against located in the hydraulic fluid chamber or in the cylinder hydraulic fluid.
  • the pressure limiting valve is preferably designed such that the displaced by the displacer volume can be compensated by a comparatively small stroke of the piston in the pressure relief valve.
  • the biasing force of the third biasing means is provided only as a restoring force for the pressure relief valve.
  • diameter ratios between the displacer piston and the piston of the pressure limiting valve which are less than or equal to 5 (for example between 5 and 1), in particular less than or equal to 1, in particular less than or equal to 0.5, may be mentioned here.
  • a spring which is particularly long in relation to the spring travel third biasing means
  • ratios between spring length in a prestressed state and spring length in the compressed state in the range of preferably 0.6 to 1, preferably in the range of 0.8 to 1, may be mentioned here.
  • the operating pressure is limited to 300bar.
  • the displacement of the displacer is then e.g. 1, 6ccm.
  • the displacer diameter is here e.g. 20mm.
  • the piston of the pressure relief valve has e.g. a piston diameter of 12mm.
  • a safety device according to the invention in the form of the pressure limiting valve does not cause any mechanical damage to the system in the event of pressure being exceeded. Furthermore, the pressure relief valve in the event of a pressure exceeding advantageously reusable. Furthermore, the simple design of the pressure relief valve allows a particularly favorable solution for ensuring the pressure protection. As a result, this prevents
  • said maximum pressure is 100 bar to 300 bar, in particular 150 bar to 300 bar, in particular 200 bar to 300 bar, in particular 250 bar to 300 bar,
  • the upper pressure limit can also be 350 bar in single-stage operation (a device according to the invention).
  • the stroke volume of the displacement piston of the pressure increase device is 1 cubic centimeter to 20 cubic centimeters, in particular 1.6
  • Cross section of the displacer of the pressure increase device 10 millimeters to 50 millimeters, in particular 20 millimeters.
  • Pressure increase 10 mm to 80 mm, in particular 12 mm.
  • the device has a safety valve and in particular a valve cam. That's it
  • Safety valve can be brought into an open position in which a flow connection between the compression chamber of the device and the pressure channel of the
  • Compression chamber of the device and the pressure channel of the device is interrupted by the safety valve, so that no fluid passes through the safety valve in the pressure channel.
  • the drive shaft of the device is preferably coupled to the valve cam, for example mechanically connected, such that the valve cam moves the safety valve periodically during the rotation of the drive shaft, in particular during the pressure stroke into the open position.
  • the valve cam and the eccentric of the device are designed to perform a common rotation.
  • the valve cam has a circular cross-sectional area.
  • the valve cam is as
  • Cam formed e.g. ground in the form of a cam.
  • the cam may have a circumference that deviates from a circular shape.
  • valve cam is integrally, that is, integrally formed with the eccentric, wherein preferably the eccentric and the valve cam are fixed via a fastening means on the drive shaft or are integrally formed therewith or integrally therewith.
  • valve cam and the eccentric are formed separately, wherein the valve cam and the eccentric can be connected to each other and / or separately via a connecting means with the drive shaft or each integrally formed thereon.
  • the safety valve is biased by a (fourth) biasing means, preferably in the form of a (fourth) compression spring against the valve cam, ie in the direction of the closed position, so that the safety valve moves by spring force in the closed position, unless it is moved by the action of the valve cam against the spring force in the open position.
  • a biasing means preferably in the form of a (fourth) compression spring against the valve cam, ie in the direction of the closed position, so that the safety valve moves by spring force in the closed position, unless it is moved by the action of the valve cam against the spring force in the open position.
  • the safety valve has a valve piston, with a first end portion which is slidably disposed in a valve cylinder.
  • the valve cylinder preferably extends through the pressure channel and opens into a
  • Valve chamber through which the compression chamber is in fluid communication with the pressure channel when the safety valve is in its open position (in particular during the pressure stroke).
  • the valve piston is further preferably configured with one with the
  • Drive shaft connected valve cam cooperate, which is preferably adapted to press upon rotation of the drive shaft against the first end portion of the valve piston and thereby to move the valve piston in a first position corresponding to the open position of the safety valve.
  • the valve piston furthermore preferably has a second end section, which projects into the valve chamber in this first position, so that compressed fluid can pass the second end section via the valve cylinder and into the pressure channel.
  • the valve piston is further preferably biased by means of the fourth biasing means, which is preferably formed as a fourth compression spring, which is arranged in particular in the valve chamber and presses against the second end portion of the valve piston in the direction of a second position corresponding to the closed position of the safety valve , Due to this bias, the valve piston moves due to the valve cam shape in the suction cycle from its first position back to its second position in which the second end portion interrupts a flow connection between the valve chamber and the valve cylinder (and thus also with the pressure channel).
  • the fourth biasing means which is preferably formed as a fourth compression spring, which is arranged in particular in the valve chamber and presses against the second end portion of the valve piston in the direction of a second position corresponding to the closed position of the safety valve , Due to this bias, the valve piston moves due to the valve cam shape in the suction cycle from its first position back to its second position in which the second end portion interrupts a flow connection between the valve chamber and the valve cylinder (and thus also with the pressure channel).
  • the second end portion of the valve piston is cone-shaped and configured to engage in a form-fitting manner in the second position of the valve piston in a corresponding conical portion of the valve cylinder, so that that flow connection between the valve chamber and the valve cylinder or pressure channel is interrupted.
  • the control times by adapting the cam grinding or cam shape are readily adaptable. Therefore Complex functions such as those determined from measurements can be easily realized.
  • a gas flow is only possible if, according to the cam or the cam shape is also provided that the
  • Safety valve is open. In the event of damage to the device for increasing the pressure of a fluid, the safety valve moves to its safe rest position
  • the safety valve according to the invention represents a particularly favorable solution for isolating the device from downstream elements.
  • Bottle valve configured to open and close a flow connection between the inlet and the suction channel.
  • Carrying out device as part of a compressed gas cylinder valve wherein the housing of the pressure increase device and the cylinder valve form a unit.
  • the outlet channel of the bottle valve which is separated from the gas storage or the compressed gas cylinder by the cylinder valve, is connected to the suction channel in such a configuration.
  • the inlet of the device is configured to be brought into flow communication with the compressed gas cylinder, so that gas from the compressed gas cylinder via the inlet and the cylinder valve can be dispensed into the suction channel, and so in particular the device or the housing of the device together with cylinder valve is carried by the compressed gas cylinder and is portable.
  • the device has a fitting associated with said cylinder valve for closing and opening the
  • Compressed gas cylinder valve for connecting a container or a pipe
  • the housing of the device or of the compressed gas cylinder valve preferably has a maximum diameter of 150 mm and a maximum height of 150 mm.
  • Hydrogen gas from a compressed gas cylinder with an inlet pressure of 50 bar to an outlet pressure of 300 bar (single stage, in particular at most 350 bar), e.g. upon refueling the compressed gas storage of a hydrogen bicycle or vehicle using hydrogen as fuel (e.g., fuel cell).
  • a filling amount of the compression chamber is, for example, 29 g of hydrogen gas.
  • an energy of 87.76 kJ must be supplied.
  • a typical compressed gas storage of 1, 1 1 volume can be refueled in less than 5 minutes.
  • a heat exchanger thus preferably carries out a heat of about 75 kJ assuming an atmospheric pressure of 300 bar. Therefore, the heat exchanger is typically on a medium
  • Another aspect of the present invention relates to a method for
  • Device or an inventive compressed gas cylinder valve
  • a fluid preferably a gas, in particular of gaseous hydrogen
  • a device according to the invention for pressure increase the fluid through the
  • the fluid in the compression chamber is compressed and discharged through the pressure channel.
  • a gas particularly preferably gaseous hydrogen
  • a fluid, preferably gas, particularly preferably gaseous hydrogen from a
  • the device / compressed gas cylinder valve or the method according to the invention can advantageously be used for refueling a motor vehicle with a fluid, preferably with a gas, more preferably with hydrogen.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a device according to the invention for increasing the pressure
  • FIG. 2 shows a sectional view of a compressed gas cylinder valve according to the invention
  • FIG. 3 shows a sectional view of a pressure-limiting valve according to the invention.
  • FIG. 1 shows a device 1 for pressure increase, with a compression chamber 3, a suction channel 4, which via an inlet 14 with a first fluid container (not shown) in fluid communication, and with a pressure channel 5, via an outlet 15 with a second fluid container (not shown) in FIG.
  • Flow connection can be brought.
  • a fluid or gas can pass from the first fluid container via the suction channel 4 into the device 1, be compressed there and output via the pressure channel 5 into a second fluid container.
  • the suction channel 4 and the pressure channel 5 each open into the compression chamber 3. In this case, a flow connection between the suction channel 4 and the
  • Compressor 3 interrupted by a suction valve 12 which is configured to open when a maximum pressure difference between the suction channel 4 and the compression chamber 3 is exceeded, so that to be compressed fluid during a Saugtakts on the suction channel 4 and the (open) suction valve 12 in the
  • Compression chamber 3 passes. During this, a pressure valve 13 is closed and interrupts a flow connection between the compression chamber 3 and the pressure channel 5.
  • the pressure valve 13 is configured to open when a maximum pressure difference between the compression chamber 3 and the pressure channel 5 is exceeded, during a pressure cycle following the suction cycle (the suction valve 12 is closed during the pressure cycle).
  • the two valves 12, 13 are each a spring-biased ball valve.
  • the two valves 12,13 each have a ball 12a, 13a, which are each biased by a spring means or biasing means 23 (not visible at ball 12 in Fig. 1) against the position at which the respective
  • the device 1 For compressing the fluid, the device 1 comprises a hydraulic fluid chamber 8 filled with a hydraulic fluid or a hydraulic fluid, e.g. in the form of a cylindrical recess which adjoins the compression chamber 3.
  • a cylindrical displacer 9 is slidably disposed so that the displacer 9 is a cross section of
  • Hydraulic fluid chamber 3 which extends transversely to a direction of movement of the displacer piston 9, fills and in the direction of movement in the hydraulic fluid chamber 8 back and forth is movable.
  • the hydraulic fluid chamber 8 is completed or limited here on a first side by an end face of the displacement piston 9.
  • the compression chamber 3 adjoins the
  • Hydraulic fluid chamber 8 wherein between the compression chamber 3 and the hydraulic fluid chamber 8, a double diaphragm 6.7, comprising a first diaphragm 6 and a voltage applied to the first diaphragm 6 second diaphragm 7, is arranged.
  • the double diaphragm 6, 7 thus separates the hydraulic fluid chamber 8 from the
  • Compression chamber 3 from and seals the hydraulic fluid chamber 8 on the second side against leakage of hydraulic fluid.
  • the double membrane 6, 7 extends along an extension plane parallel to the said cross-section of the chamber 8 and the end face of the displacement piston 9 extends. The direction of movement of the piston 9 thus extends perpendicular to
  • Double diaphragm 6, 7 moves away, wherein a negative pressure arises, according to which the double diaphragm 6, 7 is moved in the direction of the hydraulic fluid chamber 8, so that the compression chamber 3 increases its volume and sucks in fluid through the suction channel 4 and the correspondingly open suction valve 12.
  • the diameter of the particular circular double diaphragm 6,7 is greater than the inner diameter of said cross section of the hydraulic fluid chamber 8, so that the opening of the hydraulic fluid chamber 8 on the second side through the
  • Double membrane 6,7 is closable.
  • the double membrane 6, 7 with a peripheral edge region on a front side of the chamber 8, which bounds that opening, sealingly.
  • the double membrane 6, 7 is depicted in a position which corresponds to the end of the printing cycle of the device 1.
  • the double diaphragm 6,7 is curved in the position shown in the direction of the compression chamber 3.
  • a leak indicating means 16 for indicating leakage of hydraulic fluid from the hydraulic fluid chamber 8 is shown.
  • the leakage indicating means 6 is arranged on a side of the double diaphragm 6, 7 facing away from the hydraulic fluid chamber 8 and is in fluid communication with that end face of the chamber 8 at an outer edge of the double diaphragm 6, 7, so that hydraulic fluid which passes by the double diaphragm 6, 7 is detectable by means of the leakage indicator means 16.
  • the leakage-indicating means 16 can have a receptacle for receiving the leakage fluid, which can then be visually detected in the receptacle.
  • the device 1 further comprises a drive shaft 1 1, which extends along a longitudinal or cylindrical axis, in particular parallel to the plane of extension of the double membrane 6, 7 and in particular perpendicular to Movement direction of the displacer 9.
  • the drive shaft 1 1 is on a side facing away from the double diaphragm 6, 7 side of the displacer 9th
  • the drive shaft 1 1 has in particular a circular
  • a coupling means 27 e.g. in the form of a recess which is designed and provided for coupling the drive shaft 1 1 with a (in particular external) device for generating a torque.
  • Torque generating agent may be e.g. positively and / or non-positively engage in said recess (for example, cordless screwdriver, etc.).
  • the eccentric 10 is in particular provided on the drive shaft 1 1, that he moves in the pressure cycle of the device 1 when rotating the drive shaft 1 1 about the longitudinal axis of the drive shaft 1 1 to the displacer 9 and this against the hydraulic fluid in the chamber. 8 presses, so that the double membrane 6, 7 the previously sucked in the suction cycle in the compression chamber 3 compressed fluid in the pressure cycle and outputs via the pressure channel 5 with the pressure valve 13 open.
  • the displacer 9 may further comprise a recess 28 at a contact surface to the eccentric 10 to that contact surface between the eccentric 10 and the displacer 9 to reduce the friction
  • the device 1 for pressure increase or compression can furthermore according to FIG. 1 have a safety valve 19, which is configured to
  • the safety valve 9 has for this purpose a valve piston 31, with a first end portion 32 which is slidably disposed in a valve cylinder 32 a and in particular by means of two on
  • valve cylinder 32a extends with a portion through the pressure channel 5, wherein that portion has a smaller inner diameter than that portion of the valve cylinder 32a, which receives the first end portion 32 of the valve piston 31, and opens into a valve chamber 33, via which the compression chamber.
  • 3 in Fluid communication with the pressure channel 5 is when the safety valve 19 is in its open position (in particular during the pressure cycle).
  • valve piston 31 cooperates with a connected to the drive shaft 1 1 valve cam 20 which is adapted to press upon rotation of the drive shaft 1 1 against the first end portion 32 of the valve piston 31 and thereby to move the valve piston 31 in a first position, the the open position of the safety valve 19 corresponds. In this first position of the valve piston 31, a second protrudes
  • valve piston 31 is further biased by means of a (fourth) biasing means 29, preferably in the form of a (fourth) compression spring 29, which is arranged in the valve chamber 33 and presses against the second end portion 30 of the valve piston 31, toward a second position, the the closed position of the safety valve 19 corresponds. Due to this bias, the valve piston 31 moves due to the valve cam shape in the suction cycle from its first position back to its second position in which the second end portion 30 interrupts a flow connection between the valve chamber 33 and the valve cylinder 32a (and thus also with the pressure channel 5).
  • the second end portion 30 of the valve piston is preferably formed cone-shaped and engages in the second position of the valve piston 31 positively in a corresponding conical portion 32c of the valve cylinder 32a, so that those flow connection between the valve chamber 33 and the valve cylinder 32a and pressure channel 5 is interrupted ,
  • the valve cam 20 may in particular be formed integrally with the eccentric 10. In the figure 1, the valve cam 20 is in a maximum raised position with respect to the valve piston 31, ie, this has been advanced by the valve cam 20 straight into its first position, against the bias of the fourth compression spring 29, so that the flow connection between the compression chamber 3 and the pressure channel 5 is opened.
  • the printing device according to the invention according to FIG. 1 has a
  • Heat exchanger 17 for example, downstream of the pressure channel 5 and the pressure channel 5 and upstream of the outlet 15 is arranged.
  • the heat exchanger 17 serves to cool the compressed fluid discharged via the pressure channel 5.
  • the device 1 for pressure increase according to Figures 1 and 3, a pressure relief valve 18 with a piston 22, a cylinder 21, and a (third) biasing means 35, preferably in the form of a compression spring 35 on.
  • the piston 22 of the pressure relief valve 18 is slidably disposed in the cylinder 21 and is supported via the third biasing means 35 at a
  • Closing means 26 a which closes the cylinder 21 outwardly at a first end of the cylinder 21, wherein further the cylinder 21 at a
  • a sealing means 26 is preferably provided, which rotates on the closure means 26a and seals the cylinder 21 against the environment of the device 1.
  • the piston 22 is moved on reaching a maximum pressure in the hydraulic fluid chamber against the spring force of the third biasing means 35 in the cylinder 21 from the chamber 8, whereby the volume of the chamber 8 effectively increases and
  • FIG. 2 shows an embodiment of a further aspect of the invention, in which a device 1 according to the invention is designed as a compressed gas cylinder valve or is integrated in such a device, ie a housing 24 of the device 1 is provided which is provided with a cylinder valve 25a for shutting off the Suction channel 4 forms a unit.
  • a device 1 according to the invention is designed as a compressed gas cylinder valve or is integrated in such a device, ie a housing 24 of the device 1 is provided which is provided with a cylinder valve 25a for shutting off the Suction channel 4 forms a unit.
  • this embodiment of the device 1 according to FIG. 2 furthermore has an inlet 25, which is configured to connect a compressed gas cylinder, so that the device 1 is carried, in particular, by the compressed gas cylinder 2, and an outlet 34, which is provided on the housing 24 Connecting a container to be filled (eg gas tank) or a corresponding line is formed.
  • the inlet 25 is connected to the suction channel 4 of the compressed gas cylinder valve 2 in FIG.
  • Fluid connection can be brought, via the valve 25 a, which is eg manually operable (eg via a corresponding valve). With the cylinder valve 25a open, fluid from a compressed gas cylinder connected to the compressed gas cylinder valve 1 can be sucked through the inlet 25 and the suction channel 4 into the device 1 or the compressed gas cylinder valve 1, can be compressed by the device 1 and through the pressure channel 5 and outlet 34 at elevated pressure dispensable.
  • the valve 25 a which is eg manually operable (eg via a corresponding valve).
  • a coupling means 27 is further provided, which is connected to the drive shaft 1 1 of the device 1, and is accessible for example via a recess of the housing 24. Via the coupling means 27, for example, in the manner described above, a torque can be transmitted to the drive shaft 11, which drives the compressed gas cylinder valve 1 for the compression of the fluid.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Druckerhöhung eines Fluids, insbesondere in Form eines Druckgasflaschenventils (1) sowie ein Verfahren zur Druckerhöhung eines Fluids. Die Vorrichtung (1) umfasst eine Hydraulikfluidkammer (8) in der ein Verdrängerkolben (9) angeordnet ist. Durch Verdrängung eines Hydraulikfluids durch den Verdrängerkolben (9) wird eine Doppelmembran (6,7) in einer Verdichtungskammer (3) betätigt, wodurch ein zu verdichtendes Fluid von einem Saugkanal (4) zu einem Druckkanal (5) gefördert und verdichtet wird. Der Verdängerkolben (9) wird durch einen Exzenter (10) über eine Antriebswelle (11) angetrieben. Die Vorrichtung (1) verfügt auch über ein Druckbegrenzungsventil (18), das im Bereich der Hydraulikfluidkammer (8) angeordnet ist. Weiterhin ist ein durch einen Ventilnocken (20) regelbares Sicherheitsventil (19) vorgesehen. Die Antriebswelle verfügt über Kopplungsmittel (27), beispielsweise zur Kopplung mit einer Bohrmaschine. Die Vorrichtung findet vorzugsweise Anwendung in der Entleerung von Druckgasflachen im häuslichen Gebrauch.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Fluids, insbesondere in Form eines
Druckgasflaschenventils
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Fluids, insbesondere in Form eines Druckgasflaschenventils, sowie ein Verfahren zur Druckerhöhung eines Fluids mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Zu den meistverwendeten Speichersystemen für Wasserstoffgas zählen
Druckgasspeicher, Flüssiggasspeicher und Metallhydridspeicher. Druckgasspeicher nach dem Stand der Technik besitzen mindestens ein Ventil, das als Absperrarmatur bzw. Drosseleinrichtung dient. Zusätzlich können solche Ventile mit einer
Sicherheitseinrichtung ausgerüstet sein, wobei meist Berstscheiben Anwendung finden. Die Ventile sind dabei meist über Gewinde eingeschraubt und fixiert und mit beispielsweise Teflon abgedichtet.
Bei der Entnahme von Gas aus Druckgasflaschen mit reiner Gasphase sinkt unweigerlich der Druck des in der Flasche verbleibenden Gases. Ein Überströmen in einen weiteren Gasspeicher ist daher immer nur mit einer Druckdifferenz möglich. Zur Druckerhöhung nach dem Stand der Technik wird bei der Entnahme aus
Gasspeichern regelmäßig ein Verdichter verwendet, der nicht Bestandteil des
Gasspeichers ist. Es müssen daher entsprechende Hochdruckleitungen als
Verbindung zwischen Druckgasflasche und Verdichter zur Verfügung stehen. Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Verdichtung von Gasen, wie z.B.
Kolbenverdichter und Rotationsverdichter bekannt.
Für Betankungsvorgänge durch Privatanwender ist die Verwendung von externen Gasverdichtern aufgrund der hohen Kosten, des Platzbedarfs und des
Sicherheitsrisikos in der Regel unvorteilhaft.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Druckerhöhung von Fluiden sowie ein Verfahren zur Druckerhöhung eines Fluids zur Verfügung zu stellen, mit denen in sicherer, einfacher und kostengünstiger Weise eine Entnahme von Gas aus Gasspeichern und insbesondere ein Überströmen von Gas, z.B. in einen zweiten Gasspeicher möglich ist.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe werden eine Vorrichtung zur
Druckerhöhung eines Fluids nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Druckerhöhung eines Fluids nach Anspruch 15 offenbart. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Fluids sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben. Gemäß Anspruch 1 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Fluids einen Saugkanal, eine Verdichtungskammer mit einem Volumen und einen Druckkanal auf. Dabei ist die Verdichtungskammer mit dem Saugkanal in Strömungsverbindung bringbar, so dass über den Saugkanal Fluid in die
Verdichtungskammer einsaugbar ist. Weiterhin ist die Verdichtungskammer mit dem Druckkanal in Strömungsverbindung bringbar, so dass über den Druckkanal verdichtetes Fluid aus der Verdichtungskammer ausgebbar ist. Dabei weist die Vorrichtung weiterhin eine Doppelmembran auf, die eine erste Membran und eine an der ersten Membran anliegende zweite Membran aufweist. Die Doppelmembran grenzt an die Verdichtungskammer an und die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, die
Doppelmembran mittels eines Hydraulikfluids so zu verformen bzw. zu bewegen, dass sich das Volumen der Verdichtungskammer der Vorrichtung in einem Saugtakt vergrößert, so dass Fluid über den Saugkanal in die Verdichtungskammer der
Vorrichtung einsaugbar ist, und dass sich das Volumen der Verdichtungskammer der Vorrichtung in einem Drucktakt verkleinert, so dass in der Verdichtungskammer verdichtetes Fluid über den Druckkanal aus der Vorrichtung ausgebbar ist.
Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine
erfindungsgemäße Vorrichtung in ein Druckgasflaschenventil integriert und erlaubt in vorteilhafter Weise eine Fluidentnahme aus einem Gasspeicher ohne einen
platzraubenden, teuren und durch einen Privatanwender sicherheitstechnisch problematisch zu bedienenden externen Verdichter. Durch die besonders geringen Abmessungen, die Einfachheit der Bedienung, sowie insbesondere die weiter unten beschriebenen, integrierbaren Sicherheitsvorrichtungen stellt eine solche
Verschmelzung eines Druckgasflaschenventils und einer Vorrichtung zur Verdichtung bzw. Druckerhöhung eines Fluids eine ideale Lösung für eine Betankung von
Gastanks, z.B. Wasserstofftanks, durch Privatanwender (home refueling) dar.
In vorteilhafter Weise kann insbesondere das zum Betrieb der Vorrichtung zur Druckerhöhung benötigte Drehmoment über ein geeignetes Kupplungsmittel unter anderem auch durch handelsübliche Bohrmaschinen bzw. Akku-Schrauber mit geringer Leistung zur Verfügung gestellt werden, so dass die Vorrichtung zur
Druckerhöhung vorzugsweise ohne einen internen Motor auskommt, wodurch sowohl die Größe als auch die Kosten der Vorrichtung zur Druckerhöhung gering gehalten werden können.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Verwendung einer doppelten Membran zur Abdichtung der Hydraulikfluidkammer. Dadurch wird einer Vermischung von Arbeits- und Hydraulikfluid wirksam entgegengewirkt, was Fehlfunktionen vorbeugt und somit eine höhere Sicherheit für den Benutzer ermöglicht.
Ais zusätzliche Sicherheitsvorrichtungen dienen in einzelnen Ausgestaltungsformen der Erfindung, die weiter unten im Detail beschrieben werden, ein
Druckbegrenzungsventil und ein Sicherheitsventil, welche Gefahren für den Benutzer durch erhöhte Drücke in der Vorrichtung zur Druckerhöhung vorbeugen. Die
Vorrichtung kann außerdem einen Wärmeüberträger zur Kühlung von austretendem Gas umfassen, wodurch der Benutzer vor möglichen Verbrühungen durch
austretendes heißes Gas geschützt wird. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Druckerhöhung ist für verschiedenste Gase und Flüssigkeiten anwendbar. Eine Adaption für ein spezifisches Fluid kann problemlos z.B. durch Anpassung der Antriebsleistung, der eingesetzten Materialien, der Volumina sowie der Dimensionierung der Wärmeüberträger erfolgen. Bei dem zu verdichtenden Fluid kann es sich um ein Gas, ein Gasgemisch oder ein Flüssigkeits-/Gasgemisch, bevorzugt ein Gas, besonders bevorzugt Wasserstoff-Gas handeln.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Hydraulikfluid eine
Hydraulikflüssigkeit, besonders bevorzugt eine inkompressible Hydraulikflüssigkeit. Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Doppelmembran der Vorrichtung derart abgedichtet, dass eine Vermischung des zu verdichtenden Arbeitsfluides und des Hydraulikfluids verhindert wird. Weiterhin ist bevorzugt die Doppelmembran gasdicht ausgebildet, so dass in der
Verdichtungskammer befindliches Gas die Verdichtungskammer nicht durch die Doppelmembran verlassen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung weiterhin eine Hydraulikfluidkammer zur Aufnahme des Hydraulikfluids auf sowie einen
Verdrängerkolben, der in der Hydraulikfluidkammer angeordnet ist bzw. in diese hineinragt. Dabei ist der Verdrängerkolben dazu ausgebildet, das Hydraulikfluid zum Verformen bzw. Bewegen der Doppelmembran gegen die Doppelmembran zu drücken. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen die Hydraulikfluidkammer und der Verdrängerkolben eine kreisförmige Querschnittsfläche auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrichtung zur
Druckerhöhung einen Exzenter auf, der dazu ausgebildet ist, gegen den
Verdrängerkolben zu drücken, so dass der Verdrängerkolben das Hydraulikfluid im Drucktakt gegen die Doppelmembran drückt. Vorzugsweise ist der Verdrängerkolben durch den Exzenter in eine periodische Hin- und Herbewegung versetzbar, so dass abwechselnd ein Druck- und ein Saugtakt vorliegen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Exzenter eine kreisförmige Querschnittsfläche oder eine Nockenform auf bzw. ist als Kurvenscheibe ausgebildet, die einen Umfang aufweisen kann, der von einer Kreisform abweicht
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Fluids zum Antreiben bzw. Rotieren des Exzenters eine mit dem Exzenter gekoppelte Antriebswelle auf. Hierbei kann der Exzenter an der Antriebswelle festgelegt sein. Die Antriebswelle ist bevorzugt dazu ausgebildet, den Exzenter durch Drehung der Antriebswelle um deren Längs- bzw. Zylinderachse in die besagte
Rotation zu versetzen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Exzenter mit der Antriebswelle einstückig, d.h., integral, ausgeführt oder mit dieser über ein sonstiges Verbindungsmittel verbunden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebswelle dazu ausgebildet, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmoments mechanisch verbunden oder bevorzugt gekoppelt zu werden.
Besonders bevorzugt ist die Antriebswelle der Vorrichtung dazu ausgebildet, mit einem externen, insbesondere mobilen Antrieb, gekoppelt bzw. angetrieben zu werden, so dass die Antriebswelle bestimmungsgemäß rotiert, wobei es sich bei einem derartigen Antrieb z.B. um eine Bohrmaschine oder einen Akkuschrauber handeln kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die
Vorrichtung einen Einlass zum Einleiten von Fluid in den Saugkanal bzw. zum
Anschließen eines ersten Fluidbehälters (z.B. Druckgasflasche, siehe unten) auf, so dass der Saugkanal in Strömungsverbindung mit dem ersten Fluidbehälter bringbar ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen
Auslass zum Ausgeben von verdichtetem Fluid bzw. zum Anschließen eines zweiten Fluidbehälters (oder einer Leitung) auf, so dass der Druckkanal in
Strömungsverbindung mit dem zweiten Fluidbehälter bzw. der Leitung bringbar ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Fluidbehälter ein Gasbehälter, vorzugsweise ein Druckgasbehälter, besonders bevorzugt eine
Druckgasflasche.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung ein Saugventil auf, das dazu ausgebildet ist, die Strömungsverbindung zwischen der
Verdichtungskammer und dem Saugkanal während des Drucktakts zu verschließen bzw. zu unterbrechen und während des Saugtakts offen zu halten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Saugventil einen ersten Körper, insbesondere in Form einer Kugel, sowie ein (erstes) Vorspannmittel, bevorzugt eine (erste) Druckfeder, auf. Dabei ist das erste Vorspannmittel so spannbar, dass der erste Körper mittels des gespannten ersten Vorspannmittels in einer Position haltbar ist, in der der erste Körper die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer und dem Saugkanal verschließt. Ein solches Ventil wird auch als federvorgespanntes Kugelventil bezeichnet.
Bei dem Saugventil kann es sich insbesondere auch um ein Flatterventil handeln, insbesondere aus einem faserverstärktem (z.B. Carbonfasern) Kunststoff, hierbei bildet der erste Körper auch gleichzeitig das (zweite) Vorspannmittel. Derartige Flatterventile sind dazu ausgebildet sich ohne separaten Antrieb aufgrund von Druckunterschieden auf den beiden Ventilseiten in Durchlassrichtung zu öffnen sowie selbsttätig wieder zu schließen. Das Flatterventil bzw. der entsprechende Körper weist dabei elastische Eigenschaften auf, die die Schließung des Flatterventils ermöglichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung ein Druckventil auf, das dazu ausgebildet ist, die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer und dem Druckkanal während des Saugtakts zu verschließen bzw. zu unterbrechen und während, insbesondere am Ende, des Drucktakts zu öffnen, so dass das verdichtete Fluid über den Druckkanal aus der Verdichtungskammer bzw. aus der Vorrichtung ausgebbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist dieses Druckventil einen zweiten Körper, insbesondere in Form einer Kugel, sowie ein (zweites) Vorspannmittel, bevorzugt in Form einer (zweiten) Druckfeder, auf. Dabei ist das zweite
Vorspannmittel so spannbar, dass der zweite Körper mittels des gespannten zweiten Vorspannmittels in einer Position haltbar ist, in der der zweite Körper die
Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer und dem Druckkanal verschließt.
Bei dem Druckventil kann es sich gemäß einer Ausführungsform der Erfindung natürlich auch um ein Flatterventil handeln (sieh oben).
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen
Wärmeüberträger auf, der dazu ausgebildet ist, aus dem Druckkanal austretendes Fluid zu kühlen. Entsprechend ist jener Wärmeübertrager insbesondere stromab des Druckkanals bzw. am Druckkanal angeordnet. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfinder ist der besagte Wärmeüberträger dazu konfiguriert Umgebungsluft als Kühlmittel zu verwenden. Weiterhin kann der Wärmeübertrager ein flüssiges Kühlmittel verwenden und kann insbesondere zur Siedekühlung konfiguriert sein.
Aufgrund der Verdichtung des Fluids in der Vorrichtung kann es zu einer starken Erhitzung des Fluids beim Austritt aus dem Druckkanal kommen. Beispielsweise weist entnommenes Wasserstoffgas bei einer Eingangstemperatur von 20°C, einem
Eingangsdruck von 50 bar sowie einem Ausgangsdruck von 300 bar eine
Austrittstemperatur am Druckkanal von 215°C auf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Wärmeüberträger so ausgelegt ist, dass die Temperatur des aus dem Druckkanal austretenden Fluids um zumindest 50°C bis 175°C, insbesondere 75°C bis 175°C, insbesondere 100°C bis 175°C, insbesondere 125°C bis 175°C, insbesondere 150°C bis 175°C, insbesondere um zumindest 175°C absenkbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung ein Leckageanzeigemittel auf, das dazu ausgebildet ist, einen Austritt von
Hydraulikfluid aus der Hydraulikfluidkammer anzuzeigen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung ein Druckbegrenzungsventil auf. Dabei weist das Druckbegrenzungsventil einen in einem Zylinder geführten Kolben auf, wobei der Zylinder in die Hydraulikfluidkammer der Vorrichtung mündet. Das Druckbegrenzungsventil weist weiterhin ein (drittes) Vorspannmittel zum Vorspannen des Kolbens gegen in der Hydraulikfluidkammer befindliches Hydraulikfluid auf. Dabei ist das dritte Vorspannmittel dazu ausgebildet, den Kolben derart gegen das Hydraulikfluid vorzuspannen, dass sich der Kolben bei einer Überschreitung eines Maximaldrucks bewegt und dadurch den Druck des Hydraulikfluids begrenzt.
Bei einer Überschreitung des Maximaldrucks fließt ein Teil des Hydraulikfluids aus der Hydraulikfluidkammer in den Teil bzw. Abschnitt des Zylinders, weicher in die
Hydraulikfluidkammer mündet und welcher durch die Bewegung des Kolbens in Strömungsverbindung mit der Hydraulikfluidkammer gebracht wird bzw. frei gemacht wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Zylinder des
Druckbegrenzungsventils durch ein Verschlussmittel gegenüber der umgebenden Atmosphäre verschlossen, wobei das Verschlussmittel insbesondere in den Zylinder hineinragt und bevorzugt mittels eines Dichtmittels abgedichtet ist. Dabei separiert das Verschlussmittel/Dichtmittel das in der Hydraulikfluidkammer befindliche Hydraulikfluid von einer Rückseite des Druckbegrenzungsventils, welches mit Atmosphärendruck belastet wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das dritte Vorspannmittel sich an dem Verschlussmittel abstützt. Das dritte
Vorspannmittel ist also insbesondere zwischen dem Kolben und dem Verschlussmittel angeordnet, wobei insbesondere der Kolben und das Verschlussmittel in Richtung der Längs- bzw. Zylinderachse des Zylinders einander gegenüberliegen. Mit zunehmender Spannung bzw. Einfederung des dritten Vorspannmittels bewegt sich der Kolben in Richtung auf das Verschlussmittel und der Zylinder wird zunehmend freigegeben, so dass Hydraulikfluid zur Druckbegrenzung in den Zylinder strömen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verdrängt das durch den Verdrängerkolben der Vorrichtung verdrängte Volumen des Hydraulikfluids bei einer Überschreitung des Maximaldrucks lediglich den Kolben des
Druckbegrenzungsventils. D.h., bei einer Überschreitung des Maximaldrucks des Hydraulikfluids wird die Doppelmembran nicht über ihre normale Stellung hinaus verformt bzw. bewegt und eine Überschreitung eines zulässigen Maximaldrucks in der Verdichtungskammer sowie in der Hydraulikfluidkammer wird verhindert. Gleichzeitig wird hierdurch eine übermäßige Belastung der Doppelmembran verhindert. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der besagte Kolben und/oder der Verdrängerkolben eine kreisförmige Querschnittsfläche auf.
Hierbei ist der Querschnitt des Kolbens bzw. Verdrängerkolbens senkrecht zur Bewegungsrichtung des jeweiligen Kolbens gemeint. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das dritte Vorspannmittel als eine dritte Druckfeder ausgestaltet, wobei die dritte Druckfeder dazu ausgebildet ist, den Kolben gegen in der Hydraulikfluidkammer oder im Zylinder befindliches Hydraulikfluid zu drücken.
Das Druckbegrenzungsventil ist bevorzugt derart ausgelegt, dass durch einen vergleichsweise geringen Hub des Kolbens im Druckbegrenzungsventil das durch den Verdrängerkolben verdrängte Volumen ausgeglichen werden kann. Die Vorspannkraft des dritten Vorspannmittels ist nur als Rückstellkraft für das Druckbegrenzungsventil vorgesehen. Als spezielle Werte seien hier Durchmesserverhältnisse zwischen dem Verdrängerkolben zu dem Kolben des Druckbegrenzungsventils genannt, die kleiner oder gleich 5 sind (z.B. zwischen 5 und 1), insbesondere kleiner oder gleich 1 , insbesondere kleiner oder gleich 0,5. Alternativ und zusätzlich kann durch die Wahl einer im Verhältnis zum Federweg besonders langen Feder (drittes Vorspannmittel) ein gleicher Effekt erzielt werden. Für das dritte Vorspannmittel seien hier Verhältnisse zwischen Federlänge in einem vorgespanntem Zustand zur Federlänge im eingefedertem Zustand im Bereich von vorzugsweise 0,6 bis 1 , bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 1 genannt.
In einem speziellen Anwendungsfall ist der Betriebsdruck mit 300bar begrenzt. Das Hubvolumen des Verdrängerkolbens beträgt dann z.B. 1 ,6ccm. Der Verdrängerkolben- Durchmesser beträgt hier z.B. 20mm. Der Kolben des Druckbegrenzungsventils besitzt dabei z.B. einen Kolbendurchmesser von 12mm.
Durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung in Form des Druckbegrenzungsventils entstehen im Falle einer Drucküberschreitung keine mechanischen Beschädigungen am System. Weiterhin ist das Druckbegrenzungsventil im Falle einer Drucküberschreitung mit Vorteil wiederverwendbar. Weiterhin erlaubt der einfache Aufbau des Druckbegrenzungsventils eine besonders günstige Lösung für die Sicherstellung der Druckabsicherung. Im Ergebnis unterbindet das
Druckbegrenzungsventil mit Vorteil durch die ausbleibende Bewegung der
Doppelmembran die Gasströmungen durch die Ventile und schützt nachfolgende Elemente vor einer Drucküberschreitung. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zur Druckerhöhung beträgt der besagte Maximaldruck 100 bar bis 300 bar, insbesondere 150 bar bis 300 bar, insbesondere 200 bar bis 300 bar, insbesondere 250 bar bis 300 bar,
insbesondere 300 bar, beträgt. Die obere Druckgrenze kann bei einstufigem Betrieb (eine erfindungsgemäße Vorrichtung) auch bei 350 bar liegen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, eine Einrichtung zu schaffen, die mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen (z.B. zwei) aufweist, die z.B. in Serie geschaltet sind. Hiermit besteht die Möglichkeit z.B. von 50 bar bis 300 bar und dann von 300 bar auf 750bar zu verdichten. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt das Hubvolumen des Verdrängerkolbens der Vorrichtung zur Druckerhöhung 1 Kubikzentimeter bis 20 Kubikzentimeter, insbesondere 1 ,6
Kubikzentimeter. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Durchmesser des
Querschnitts des Verdrängerkolbens der Vorrichtung zur Druckerhöhung 10 Millimeter bis 50 Millimeter, insbesondere 20 Millimeter.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Durchmesser des Querschnitts des Kolbens des Druckbegrenzungsventils der Vorrichtung zur
Druckerhöhung 10 Millimeter bis 80 Millimeter, insbesondere 12 Millimeter.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung ein Sicherheitsventil sowie insbesondere eine Ventilnocke auf. Dabei ist das
Sicherheitsventil in eine geöffnete Stellung bringbar, in der eine Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer der Vorrichtung und dem Druckkanal der
Vorrichtung offen ist (bei geöffnetem Druckventil) und verdichtetes Fluid über das Sicherheitsventil aus der Verdichtungskammer in den Druckkanal gelangt, sowie in eine geschlossene Stellung, in der jene Strömungsverbindung zwischen der
Verdichtungskammer der Vorrichtung und dem Druckkanal der Vorrichtung durch das Sicherheitsventil unterbrochen ist, so dass kein Fluid über das Sicherheitsventil in den Druckkanal gelangt. Die Antriebswelle der Vorrichtung ist dabei bevorzugt derart mit der Ventilnocke gekoppelt, z.B. mechanisch verbunden, dass die Ventilnocke beim Rotieren der Antriebswelle das Sicherheitsventil periodisch, insbesondere während des Drucktakts in die geöffnete Stellung bewegt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Ventilnocke und der Exzenter der Vorrichtung dazu ausgebildet, eine gemeinsame Rotation auszuführen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Ventilnocke eine kreisförmige Querschnittsfläche auf. Bevorzugt ist die Ventilnocke als
Kurvenscheibe ausgeformt, z.B. in Form einer Kurvenscheibe geschliffen. Die
Kurvenscheibe kann insbesondere einen Umfang aufweisen, der von einer Kreisform abweicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ventilnocke einstückig, d.h., integral, mit dem Exzenter ausgeformt, wobei bevorzugt der Exzenter sowie die Ventilnocke über ein Befestigungsmittel an der Antriebswelle festgelegt sind oder einstückig bzw. integral mit dieser ausgebildet sind.
Gemäß einer weiteren, alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Ventilnocke und der Exzenter separat ausgeformt, wobei die Ventilnocke und der Exzenter miteinander und/oder jeweils separat über ein Verbindungsmittel mit der Antriebswelle verbunden sein können oder jeweils einstückig an diese angeformt sein können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Sicherheitsventil durch ein (viertes) Vorspannmittel, bevorzugt in Form einer (vierten) Druckfeder, gegen die Ventilnocke vorgespannt, also in Richtung auf die geschlossene Stellung, so dass sich das Sicherheitsventil durch Federkraft in die geschlossene Stellung bewegt, sofern es nicht durch Einwirkung der Ventilnocke gegen die Federkraft in die geöffnete Stellung bewegt wird. Somit ist in dieser Ausgestaltungsform das Sicherheitsventil während des Saugtakts verschlossen und während des Drucktakts geöffnet. Dadurch ergibt sich eine Abdichtung zwischen dem Druckkanal und der Verdichtungskammer. Durch diese Abdichtung wird z.B. in einem Schadensfall ein Fluidstrom unterbunden.
Die Kopplung des Zustands des Sicherheitsventils an den Saugtakt bzw. Drucktakt der Vorrichtung ergibt sich durch die Ausformung der Ventilnocke und die Ausformung des Exzenters, die jeweils insbesondere fest mit der Antriebswelle verbunden sind. Bevorzugt weist das Sicherheitsventil einen Ventilkolben auf, mit einem ersten Endabschnitt, der in einem Ventilzylinder gleitend angeordnet ist. Der Ventilzylinder erstreckt sich bevorzugt durch den Druckkanal hindurch und mündet in eine
Ventilkammer, über die die Verdichtungskammer in Strömungsverbindung mit dem Druckkanal steht, wenn das Sicherheitsventil sich in seiner geöffneten Stellung (insbesondere während des Drucktakts) befindet.
Der Ventilkolben ist weiterhin bevorzugt dazu konfiguriert mit einer mit der
Antriebswelle verbundenen Ventilnocke zusammen zu wirken, die vorzugsweise dazu ausgebildet ist beim Rotieren der Antriebswelle gegen den ersten Endabschnitt des Ventilkolbens zu drücken und dabei den Ventilkolben in eine erste Position zu bewegen, die der geöffneten Stellung des Sicherheitsventils entspricht.
Der Ventilkolben weist weiterhin bevorzugt einen zweiten Endabschnitt auf, der in dieser ersten Position in die Ventilkammer hineinragt, so dass verdichtetes Fluid am zweiten Endabschnitt vorbei über den Ventilzylinder in den Druckkanal gelangen kann.
Der Ventilkolben ist weiterhin bevorzugt mittels des vierten Vorspannmittels, das bevorzugt als vierte Druckfeder ausgebildet ist, die insbesondere in der Ventilkammer angeordnet ist, und gegen den zweiten Endabschnitt des Ventilkolbens drückt, in Richtung auf eine zweite Position vorgespannt, die der geschlossenen Stellung des Sicherheitsventils entspricht. Durch diese Vorspannung bewegt sich der Ventilkolben aufgrund der Ventilnockenform im Saugtakt aus seiner ersten Position zurück in seine zweite Position, in der der zweite Endabschnitt eine Strömungsverbindung zwischen der Ventilkammer und dem Ventilzylinder (und damit auch mit dem Druckkanal) unterbricht.
Bevorzugt ist der zweite Endabschnitt des Ventilkolbens hierzu konusförmig ausgebildet und dazu konfiguriert, in der zweiten Position des Ventilkolbens formschlüssig in einen entsprechend konusförmigen Abschnitt des Ventilzylinders einzugreifen, so dass jene Strömungsverbindung zwischen der Ventilkammer und dem Ventilzylinder bzw. Druckkanal unterbrochen wird.
Mittels des erfindungsgemäßen Sicherheitsventils sind die Steuerzeiten durch das Abändern des Nockenschliffs bzw. der Nockenform ohne weiteres anpassbar. Daher sind auch komplexe Funktionen wie sie beispielsweise aus Messungen ermittelt werden einfach realisierbar. Ein Gasstrom ist nur dann möglich, wenn entsprechend des Nockenschliffs bzw. der Nockenform auch vorgesehen ist, dass das
Sicherheitsventil geöffnet ist. Im Schadensfall der Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Fluids bewegt sich das Sicherheitsventil in seine sichere Ruhestellung
(geschlossene Stellung des Sicherheitsventils). Bedingt durch die geringen
Reibungsverluste wird nur eine geringe Leistung zum Antrieb des Sicherheitsventils benötigt. Verglichen zu elektrischen- oder pneumatischen Isolationsventilen, stellt das erfindungsgemäße Sicherheitsventil eine besonders günstige Lösung zur Isolation der Vorrichtung von nachgeschalteten Elementen dar.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Einlass der Vorrichtung dazu ausgebildet ist, mit einer
Druckgasflasche verbunden zu werden, wobei die Vorrichtung weiterhin ein
Flaschenventil aufweist, das dazu konfiguriert ist, eine Strömungsverbindung zwischen dem Einlass und dem Saugkanal zu öffnen und zu schließen.
Diese Ausgestaltung der Vorrichtung sieht also mit anderen Worten vor, die
Vorrichtung als Bestandteil eines Druckgasflaschenventils auszuführen, wobei das Gehäuse der Vorrichtung zur Druckerhöhung und das Flaschenventil eine Einheit bilden. Der Auslasskanal des Flaschenventils, der durch das Flaschenventil vom Gasspeicher bzw. der Druckgasflasche getrennt ist, ist mit dem Saugkanal in einer derartigen Ausgestaltung verbunden. Bevorzugt ist der Einlass der Vorrichtung dazu konfiguriert, mit der Druckgasflasche in Strömungsverbindung gebracht zu werden, so dass Gas aus der Druckgasflasche über den Einlass und das Flaschenventil in den Saugkanal ausgebbar ist, und so dass insbesondere die Vorrichtung bzw. das Gehäuse der Vorrichtung samt Flaschenventil von der Druckgasflasche getragen wird bzw. tragbar ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine dem besagten Flaschenventil zugehörige Armatur zum Verschließen und Öffnen der
Strömungsverbindung zwischen dem Einlass und dem Saugkanal auf. Vorzugsweise ist weiterhin der Auslass der Vorrichtung bzw. des
Druckgasflaschenventils zum Anschluss eines Behälters oder einer Leitung
konfiguriert, in den bzw. in die das Fluid gegeben werden soll. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse der Vorrichtung bzw. des Druckgasflaschenventils vorzugsweise einen maximalen Durchmesser von 150mm sowie eine maximale Höhe von 150mm auf.
Beispielsweise kann mit der vorliegenden, erfindungsgemäßen Vorrichtung
Wasserstoffgas aus einer Druckgasflasche mit einem Eingangsdruck von 50 bar auf einen Ausgangsdruck von 300 bar (einstufig insbesondere max. 350bar), z.B. bei Betankung des Druckgasspeichers eines Wasserstofffahrrads- oder fahrzeugs, das Wasserstoff als Treibstoff verwendet (z.B. Brennstoffzelle), gebracht werden. Eine Befüllmenge der Verdichtungskammer beträgt beispielsweise 29 g Wasserstoffgas. Bei Zugrundelegen eines adiabatischen Verdichtungsvorgangs muss eine Energie von 87,76 kJ zugeführt werden. Somit kann bei einer typischen Antriebsleistung der Antriebswelle von 250 W ein typischer Druckgasspeicher von 1 ,1 1 Volumen in unter 5 Minuten betankt werden. Dabei wird bei Annahme eines isentropischen Vorgangs bei einer Eingangstemperatur von 20°C eine Ausgangstemperatur von 2 5°C erreicht. Ein Wärmeüberträger führt somit bevorzugt bei Annahme eines Atmosphärendrucks von 300 bar eine Wärme von etwa 75 kJ ab. Daher ist der Wärmeüberträger typischerweise auf eine mittlere
Leistung von ca. 238 W dimensioniert.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Druckerhöhung eines Fluids bei dem vorzugsweise eine erfindungsgemäße
Vorrichtung (bzw. ein erfindungsgemäßes Druckgasflaschenventil) verwendet wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Druckerhöhung eines Fluids, bevorzugt eines Gases, insbesondere von gasförmigem Wasserstoff, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckerhöhung wird das Fluid durch den
Saugkanal in die Verdichtungskammer in einem Saugtakt eingesaugt. In einem anschließenden Drucktakt wird das in der Verdichtungskammer befindliche Fluid komprimiert und durch den Druckkanal ausgegeben. Bei dem Verfahren kann unter anderem bevorzugt ein Fluid, weiter bevorzugt ein Gas, besonders bevorzugt gasförmiger Wasserstoff, aus einem ersten Gasspeicher mit einem ersten Druck in einen zweiten Gasspeicher mit einem zweiten Druck überführt werden, wobei der zweite Druck größer sein kann als der erste Druck. Alternativ kann ein Fluid, vorzugsweise Gas, besonders bevorzugt gasförmiger Wasserstoff, aus einem
Gasspeicher entnommen werden.
Demzufolge kann die erfindungsgemäße Vorrichtung/Druckgasflaschenventil bzw. das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil zur Betankung eines Kraftfahrzeugs mit einem Fluid, bevorzugt mit einem Gas, besonders bevorzugt mit Wasserstoff, verwendet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend bei der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 : eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckerhöhung;
Fig. 2: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßes Druckgasflaschenventils; und Fig. 3: eine Schnittansicht erfindungsgemäßes Druckbegrenzungsventils.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Druckerhöhung, mit einer Verdichtungskammer 3, einem Saugkanal 4, der über einen Einlass 14 mit einem ersten Fluidbehälter (nicht gezeigt) in Strömungsverbindung bringbar ist, sowie mit einem Druckkanal 5, der über einen Auslass 15 mit einem zweiten Fluidbehälter (nicht gezeigt) in
Strömungsverbindung bringbar ist. Entsprechend kann ein Fluid bzw. Gas aus dem ersten Fluidbehälter über den Saugkanal 4 in die Vorrichtung 1 gelangen, dort verdichtet werden und über den Druckkanal 5 in einen zweiten Fluidbehälter ausgegeben werden.
Der Saugkanal 4 und der Druckkanal 5 münden jeweils in die Verdichtungskammer 3. Dabei ist eine Strömungsverbindung zwischen dem Saugkanal 4 und der
Verdichtungskammer 3 durch ein Saugventil 12 unterbrechbar, das dazu konfiguriert ist, sich beim Überschreiten einer maximalen Druckdifferenz zwischen Saugkanal 4 und Verdichtungskammer 3 zu öffnen, so dass zu verdichtendes Fluid während eines Saugtakts über den Saugkanal 4 und das (geöffnete) Saugventil 12 in die
Verdichtungskammer 3 gelangt. Während dessen ist ein Druckventil 13 geschlossen und unterbricht eine Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer 3 und dem Druckkanal 5.
Das Druckventil 13 ist dabei dazu konfiguriert, sich beim Überschreiten einer maximalen Druckdifferenz zwischen der Verdichtungskammer 3 und dem Druckkanal 5 zu öffnen, und zwar während eines Drucktakts, der sich an den Saugtakt anschließt (während des Drucktakts ist das Saugventil 12 geschlossen). Bevorzugt handelt es sich bei den beiden Ventilen 12, 13 jeweils um ein federvorgespanntes Kugelventil. Hierbei weisen die beiden Ventile 12,13 jeweils eine Kugel 12a, 13a auf, die jeweils mittels eines Federmittels bzw. Vorspannmittels 23 (bei Kugel 12 in Fig. 1 nicht sichtbar) gegen die Position vorgespannt sind, bei der die jeweilige
Strömungsverbindung unterbrochen ist.
Zum Verdichten bzw. Einsaugen des Fluids weist die Vorrichtung 1 eine mit einem Hydraulikfluid bzw. einer Hydraulikflüssigkeit gefüllte Hydraulikfluidkammer 8 auf, z.B. in Form einer zylindrischen Ausnehmung, die an die Verdichtungskammer 3 angrenzt. In der Hydraulikfluidkammer 8 ist ein zylindrischer Verdrängerkolben 9 gleitend angeordnet, so dass der Verdrängerkolben 9 einen Querschnitt der
Hydraulikfluidkammer 3, der quer zu einer Bewegungsrichtung des Verdrängerkolbens 9 verläuft, ausfüllt und in der Bewegungsrichtung in der Hydraulikfluidkammer 8 hin und her bewegbar ist. Die Hydraulikfluidkammer 8 wird hierbei an einer ersten Seite durch eine Stirnseite des Verdrängerkolbens 9 abgeschlossen bzw. begrenzt. An einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite grenzt die Verdichtungskammer 3 an die
Hydraulikfluidkammer 8 an, wobei zwischen der Verdichtungskammer 3 und der Hydraulikfluidkammer 8 eine Doppelmembran 6,7, umfassend eine erste Membran 6 und eine an der ersten Membran 6 anliegende zweite Membran 7, angeordnet ist.
Die Doppelmembran 6, 7 trennt somit die Hydraulikfluidkammer 8 von der
Verdichtungskammer 3 ab und dichtet die Hydraulikfluidkammer 8 an der zweiten Seite gegen einen Austritt von Hydraulikfluid ab. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, erstreckt sich die Doppelmembran 6, 7 entlang einer Erstreckungsebene, die parallel zu dem besagten Querschnitt der Kammer 8 bzw. der Stirnseite des Verdrängerkolbens 9 verläuft. Die Bewegungsrichtung des Kolbens 9 verläuft somit senkrecht zur
Erstreckungsebene der Doppelmembran 6, 7. Wenn der Verdrängerkolben 9 in seiner Bewegungsrichtung auf die gegenüberliegende Doppelmembran 6, 7 zu bewegt wird, wird die Doppelmembran 6, 9 mit Hydraulikfluid beaufschlagt und in Richtung auf die Verdichtungskammer 3 ausgelenkt, was dem Drucktrakt entspricht. Im Saugtakt hingegen wird der Verdrängerkolben 9 in der Bewegungsrichtung von der
Doppelmembran 6, 7 weg bewegt, wobei ein Unterdruck entsteht, demzufolge die Doppelmembran 6, 7 in Richtung auf die Hydraulikfluidkammer 8 bewegt wird, so dass die Verdichtungskammer 3 ihr Volumen erhöht und Fluid über den Saugkanal 4 und das entsprechend geöffnete Saugventil 12 einsaugt.
Der Durchmesser der insbesondere kreisförmigen Doppelmembran 6,7 ist größer als der Innendurchmesser des besagten Querschnitts der Hydraulikfluidkammer 8, so dass die Öffnung der Hydraulikfluidkammer 8 an der zweiten Seite durch die
Doppelmembran 6,7 verschließbar ist. Hierbei liegt die Doppelmembran 6, 7 mit einem umlaufenden Randbereich an einer Stirnseite der Kammer 8, die jene Öffnung berandet, abdichtend an. In der Fig. 1 ist die Doppelmembran 6,7 in einer Position abgebildet, welche dem Ende des Drucktakts der Vorrichtung 1 entspricht. Somit ist die Doppelmembran 6,7 in der gezeigten Position in Richtung der Verdichtungskammer 3 gewölbt.
Weiterhin ist in Fig. 1 ein Leckageanzeigemittel 16 zum Anzeigen eines Austritts von Hydraulikfluid aus der Hydraulikfluidkammer 8 gezeigt. Das Leckageanzeigemittel 6 ist an einer der Hydraulikfluidkammer 8 abgewandten Seite der Doppelmembran 6,7 angeordnet und steht mit jener Stirnseite der Kammer 8 an einem äußeren Rand der Doppelmembran 6, 7 in Strömungsverbindung, so dass Hydraulikfluid, das an der Doppelmembran 6, 7 vorbeigelangt, mittels des Leckageanzeigemittels 16 detektierbar ist. Das Leckageanzeigemittel 16 kann hierzu eine Aufnahme zur Aufnahme des Leckagefluids aufweisen, das dann visuell in der Aufnahme erfassbar ist.
Gemäß Fig. 1 weist die Vorrichtung 1 weiterhin eine Antriebswelle 1 1 auf, die sich entlang einer Längs- bzw. Zylinderachse insbesondere parallel zur Erstreckungsebene der Doppelmembran 6, 7 erstreckt und zwar insbesondere senkrecht zur Bewegungsrichtung des Verdrängerkolbens 9. Die Antriebswelle 1 1 ist dabei auf einer von der Doppelmembran 6, 7 abgewandten Seite des Verdrängerkolbens 9
vorgesehen und ist zum Antreiben des Verdrängerkolbens 9 mit einem Exzenter 10 verbunden. Die Antriebswelle 1 1 weist insbesondere einen kreisförmigen
Querschnitt auf und verfügt an einem freien Ende (an einer Außenseite der Vorrichtung 1) über ein Kopplungsmittel 27, z.B. in Form einer Ausnehmung, das zur Kopplung der Antriebswelle 1 1 mit einer (insbesondere externen) Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmoments eingerichtet und vorgesehen ist. Das besagte
Drehmomenterzeugungsmittel kann dabei z.B. form- und/oder kraftschlüssig in die besagte Ausnehmung eingreifen (z.B. Akku-Schrauber etc.).
Der Exzenter 10 ist insbesondere so an der Antriebswelle 1 1 vorgesehen, dass er sich im Drucktakt der Vorrichtung 1 beim Rotieren der Antriebswelle 1 1 um die Längsachse der Antriebswelle 1 1 auf den Verdrängerkolben 9 zu bewegt und diesen dabei gegen das Hydraulikfluid in der Kammer 8 drückt, so dass die Doppelmembran 6, 7 das zuvor im Saugtakt in die Verdichtungskammer 3 gesaugte Fluid im Drucktakt verdichtet und über den Druckkanal 5 bei geöffnetem Druckventil 13 ausgibt.
Gemäß Figur 1 kann der Verdrängerkolben 9 weiterhin an einer Kontaktfläche zum Exzenter 10 eine Aussparung 28 aufweisen, um jene Kontaktfläche zwischen dem Exzenter 10 und dem Verdrängerkolben 9 zur Reduzierung der Reibung zu
vermindern.
Die Vorrichtung 1 zur Druckerhöhung bzw. Verdichtung kann weiterhin gemäß Fig. 1 ein Sicherheitsventil 19 aufweisen, welches dazu konfiguriert ist, die
Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer 3 und dem Druckkanal 5 zu unterbrechen bzw. den Druckkanal 5 zu verschließen. Das Sicherheitsventil 9 weist hierzu einen Ventilkolben 31 auf, mit einem ersten Endabschnitt 32, der in einem Ventilzylinder 32a gleitend angeordnet ist und insbesondere mittels zweier am
Endabschnitt 32 umlaufender Dichtungen 32b abgedichtet ist, so dass das verdichtete Fluid nicht über den Ventilzylinder 32a entweichen kann. Der Ventilzylinder 32a erstreckt sich mit einem Abschnitt durch den Druckkanal 5 hindurch, wobei jener Abschnitt einen geringeren Innendurchmesser aufweist als derjenige Abschnitt des Ventilzylinders 32a, der den ersten Endabschnitt 32 des Ventilkolbens 31 aufnimmt, und mündet in eine Ventilkammer 33, über die die Verdichtungskammer 3 in Strömungsverbindung mit dem Druckkanal 5 steht, wenn das Sicherheitsventil 19 sich in seiner geöffneten Stellung (insbesondere während des Drucktakts) befindet.
Der Ventilkolben 31 wirkt mit einer mit der Antriebswelle 1 1 verbundenen Ventilnocke 20 zusammen, die dazu ausgebildet ist, beim Rotieren der Antriebswelle 1 1 gegen den ersten Endabschnitt 32 des Ventilkolbens 31 zu drücken und dabei den Ventilkolben 31 in eine erste Position zu bewegen, die der geöffneten Stellung des Sicherheitsventils 19 entspricht. In dieser ersten Position des Ventilkolbens 31 ragt ein zweiter
Endabschnitt 30 des Ventilkolbens 31 in die Ventilkammer 33 hinein, so dass verdichtetes Fluid am zweiten Endabschnitt 30 vorbei über den Ventilzylinder 32a in den Druckkanal 5 gelangen kann. Der Ventilkolben 31 ist weiterhin mittels eines (vierten) Vorspannmittels 29, bevorzugt in Form einer (vierten) Druckfeder 29, die in der Ventilkammer 33 angeordnet ist und gegen den zweiten Endabschnitt 30 des Ventilkolbens 31 drückt, in Richtung auf eine zweite Position vorgespannt, die der geschlossenen Stellung des Sicherheitsventils 19 entspricht. Durch diese Vorspannung bewegt sich der Ventilkolben 31 aufgrund der Ventilnockenform im Saugtakt aus seiner ersten Position zurück in seine zweite Position, in der der zweite Endabschnitt 30 eine Strömungsverbindung zwischen der Ventilkammer 33 und dem Ventilzylinder 32a (und damit auch mit dem Druckkanal 5) unterbricht. Hierzu ist der zweite Endabschnitt 30 des Ventilkolbens bevorzugt konusförmig ausgebildet und greift in der zweiten Position des Ventilkolbens 31 formschlüssig in einen entsprechend konusförmigen Abschnitt 32c des Ventilzylinders 32a ein, so dass jene Strömungsverbindung zwischen der Ventilkammer 33 und dem Ventilzylinder 32a bzw. Druckkanal 5 unterbrochen wird. Die Ventilnocke 20 kann insbesondere integral mit dem Exzenter 10 ausgeformt sein. In der Figur 1 befindet sich die Ventilnocke 20 in einer maximal ausgestellten Position bezüglich des Ventilkolbens 31 , d.h., dieser ist durch die Ventilnocke 20 gerade in seine erste Position vorgerückt worden, und zwar gegen die Vorspannung der vierten Druckfeder 29, so dass die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer 3 und dem Druckkanal 5 geöffnet ist.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Druckvorrichtung gemäß Fig. 1 einen
Wärmeüberträger 17 auf, der z.B. stromab des Druckkanals 5 bzw. am Druckkanal 5 sowie stromauf des Auslasses 15 angeordnet ist. Der Wärmeübertrager 17 dient zum Kühlen des über den Druckkanal 5 ausgegebenen, verdichteten Fluids. Schließlich kann die Vorrichtung 1 zur Druckerhöhung gemäß Figuren 1 und 3 weiterhin ein Druckbegrenzungsventil 18 mit einem Kolben 22, einem Zylinder 21 , und einem (dritten) Vorspannmittel 35, bevorzugt in Form einer Druckfeder 35, auf.
Der Kolben 22 des Druckbegrenzungsventils 18 ist dabei in dem Zylinder 21 gleitend angeordnet und stützt sich über das dritte Vorspannmittel 35 an einem
Verschlussmittel 26a ab, das den Zylinder 21 nach außen hin an einem ersten Ende des Zylinders 21 verschließt, wobei weiterhin der Zylinder 21 an einem
gegenüberliegenden zweiten Ende in die Hydraulikfluidkammer 8 der Vorrichtung 1 mündet.
Weiterhin ist vorzugsweise ein Dichtmittel 26 vorgesehen, dass am Verschlussmittel 26a umläuft und den Zylinder 21 gegen die Umgebung der Vorrichtung 1 abdichtet.
Der Kolben 22 wird bei Erreichen eines Maximaldrucks in der Hydraulikfluidkammer gegen die Federkraft des dritten Vorspannmittels 35 im Zylinder 21 von der Kammer 8 wegbewegt, wodurch sich das Volumen der Kammer 8 effektiv erhöht und
entsprechend der darin herrschende Druck auf den besagten Maximaldruck begrenzt wird.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform eines weiteren Aspekts der Erfindung, bei der eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 als ein Druckgasflaschenventil ausgebildet ist bzw. in ein solches integriert ist, d.h., es ist ein Gehäuse 24 der Vorrichtung 1 vorgesehen, das mit einem Flaschenventil 25a zum Absperren des Saugkanals 4 eine Einheit bildet.
Im Einzelnen weist diese Ausführung der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 2 weiterhin einen Einlass 25 auf, der zum Anschließen einer Druckgasflasche konfiguriert ist, so dass die Vorrichtung 1 insbesondere von der Druckgasflasche 2 getragen wird, sowie einen am Gehäuse 24 vorgesehenen Auslass 34, der zum Anschließen eines zu befüllenden Behälters (z.B. Gastank) bzw. einer entsprechenden Leitung ausgebildet ist. Der Einlass 25 ist mit dem Saugkanal 4 des Druckgasflaschenventils 2 in
Strömungsverbindung bringbar, und zwar über das Ventil 25a, das z.B. händisch betätigbar ist (z.B. über eine entsprechende Armatur). Bei geöffnetem Flaschenventil 25a ist somit Fluid aus einer an das Druckgasflaschenventil 1 angeschlossenen Druckgasflasche durch den Einlass 25 und den Saugkanal 4 in die Vorrichtung 1 bzw. das Druckgasflaschenventil 1 einsaugbar, mittels der Vorrichtung 1 komprimierbar und durch den Druckkanal 5 und Auslass 34 bei erhöhtem Druck ausgebbar.
Am Gehäuse 24 ist weiterhin ein Kopplungsmittel 27 vorgesehen, das mit der Antriebswelle 1 1 der Vorrichtung 1 verbunden ist, und z.B. über eine Aussparung des Gehäuses 24 zugänglich ist. Über das Kopplungsmittel 27 kann z.B. in der oben beschriebenen Weise ein Drehmoment auf die Antriebswelle 11 übertragen werden, die das Druckgasflaschenventil 1 zur Kompression des Fluids antreibt.
Bezugszeichenliste
Vorrichtung zur Druckerhöhung bzw. 1 Druckgasflaschenventil
Druckgasflasche 2
Verdichtungskammer 3
Saugkanal 4
Druckkanal 5 erste Membran 6 zweite Membran 7
Hydraulikfluidkammer 8
Verdrängerkolben 9
Exzenter 10
Antriebswelle 1 1
Saugventil 12
Erster Körper bzw. Kugel 12a
Druckventil 13
Zweiter Körper bzw. Kugel 13a
Einlass 14
Auslass 15
Leckageanzeigemittel 16
Wärmeüberträger 17
Druckbegrenzungsventil 18
Sicherheitsventil 19
Ventilnocke 20
Zylinder 21
Kolben 22
Zweites Vorspannmittel 23
Gehäuse 24
Einlass 25
Flaschenventil 25a
Dichtmittel 26
Verschlussmittel 26a
Kopplungsmittel 27
Aussparung 28 Viertes Vorspannmittel 29
Zweiter Endabschnitt 30
Ventilkoben 31
Zweiter Endabschnitt 32
Ventilzylinder 32a
Dichtung 32b
Konusförmiger Abschnitt 32c
Ventilkammer 33
Auslass 34
Drittes Vorspannmittel 35

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Fluids aufweisend einen Saugkanal (4), eine Verdichtungskammer (3) mit einem Volumen, und einen Druckkanal (5), wobei
• die Verdichtungskammer
(3) mit dem Saugkanal (4) in Strömungsverbindung bringbar ist, so dass über den Saugkanal
(4) Fluid in die Verdichtungskammer (3) einsaugbar ist, und wobei
• die Verdichtungskammer (3) mit dem Druckkanal (5) in Strömungsverbindung bringbar ist, so dass über den Druckkanal
(5) verdichtetes Fluid aus der Verdichtungskammer (3) ausgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung (1 ) eine Doppelmembran (6,7), aufweisend eine erste Membran (6) und eine an der ersten Membran
(6) anliegende zweite Membran (7), aufweist, wobei die Doppelmembran (6,7) an die Verdichtungskammer (3) angrenzt und die Vorrichtung (1) dazu ausgebildet ist, die Doppelmembran (6,
7) mittels eines Hydraulikfluids so zu verformen, dass
• sich das Volumen der Verdichtungskammer (3) der Vorrichtung (1 ) in einem Saugtakt vergrößert, so dass Fluid über den Saugkanal (4) in die
Verdichtungskammer (3) der Vorrichtung (1) einsaugbar ist, und dass
• sich das Volumen der Verdichtungskammer (3) der Vorrichtung (1 ) in einem Drucktakt verkleinert, so dass in der Verdichtungskammer (3) befindliches Fluid verdichtbar ist und anschließend über den Druckkanal (5) aus der Vorrichtung (1 ) ausgebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) eine Hydraulikfluidkammer (8) zur Aufnahme des Hydraulikfluids sowie einen Verdrängerkolben (9), der in der Hydraulikfluidkammer
(8) angeordnet ist, aufweist, wobei der Verdrängerkolben (9) dazu ausgebildet ist, das Hydraulikfluid zum Verformen der Doppelmembran (6,7) gegen die Doppelmembran (6,7) zu drücken.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen Exzenter (10) aufweist, der dazu ausgebildet ist, gegen den Verdrängerkolben (9) zu drücken, so dass der Verdrängerkolben (9) das
Hydraulikfluid gegen die Doppelmembran (6,7) drückt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zum Rotieren des Exzenters (10) eine mit dem Exzenter (10) verbundene
Antriebswelle (1 1) aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Exzenter (10) durch Rotation der Antriebswelle (11) in Rotation zu versetzen.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) einen Einlass (14) zum Einleiten eines zu verdichtenden Fluids in den Saugkanal (4) aufweist, und/oder dass die
Vorrichtung (1) einen mit dem Druckkanal (5) in Strömungsverbindung stehenden Auslass (15) zum Ausgeben des verdichteten Fluids aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Saugventil (12) aufweist, das dazu ausgebildet ist, die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer (3) und dem Saugkanal (4) während des Saugtakts offen zu halten sowie während des Drucktakts zu unterbrechen.
Vorrichtung zur Druckerhöhung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugventil (12) als ein Flatterventil ausgebildet ist, oder dass das Saugventil (12) einen ersten Körper (12a), vorzugsweise in Form einer Kugel, sowie ein erstes Vorspannmittel aufweist, wobei das erste Vorspannmittel so spannbar ist, dass der erste Körper (12a) mittels des gespannten ersten Vorspannmittels in einer Position haltbar ist, in der der Körper (12a) die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer (3) und dem Saugkanal (4) unterbricht.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Druckventil (13) aufweist, das dazu ausgebildet ist, die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer (3) und dem Druckkanal (5) während des Saugtakts zu unterbrechen sowie während des Drucktakts zu öffnen, so dass in der Verdichtungskammer (3) verdichtetes Fluid aus der Verdichtungskammer (3) über den Druckkanal (5) ausgebbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckventil (13) als ein Flatterventil ausgebildet ist, oder dass das Druckventil (13) einen zweiten Körper (13a), vorzugsweise in Form einer zweiten Kugel, sowie ein zweites Vorspannmittel (23) aufweist, wobei das zweite Vorspannmittel (23) so spannbar ist, dass der zweite Körper (12a) mittels des gespannten zweiten Vorspannmittels (23) in einer Position haltbar ist, in der der zweite Körper (13a) die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer (3) und dem Druckkanal (5) unterbricht.
10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) einen Wärmeüberträger (17) aufweist, der dazu ausgebildet ist, aus dem Druckkanal (5) austretendes Fluid zu kühlen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 10 soweit
rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) ein Leckageanzeigemittel (16) aufweist, die dazu ausgebildet ist, einen Austritt von Hydraulikfluid aus der Hydraulikfluidkammer (8) anzuzeigen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 1 1 soweit
rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Druckbegrenzungsventil (18) zum Begrenzen eines Drucks in der
Hydraulikfluidkammer (8) aufweist, wobei das Druckbegrenzungsventil (18) einen in einem Zylinder (21 ) geführten Kolben (22) aufweist, wobei der Zylinder (21) in die Hydraulikfluidkammer (8) der Vorrichtung (1) mündet, und wobei das
Druckbegrenzungsventil (18) ein drittes Vorspannmittel (35) zum Vorspannen des Kolbens (22) gegen in der Hydraulikfluidkammer (8) befindliches Hydraulikfluid aufweist, wobei das dritte Vorspannmittel (35) dazu ausgebildet ist, den Kolben (22) derart gegen das Hydraulikfluid vorzuspannen, dass sich der Kolben (22) bei einer Überschreitung eines definierten Maximaldrucks in der
Hydraulikfluidkammer (8) bewegt, um den besagten Druck zu begrenzen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder einem der Ansprüche 5 bis 12 sofern
rückbezogen auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Sicherheitsventil (19) sowie eine Ventilnocke (20) aufweist, wobei das
Sicherheitsventil (19) in eine geöffnete Stellung bringbar ist, in der die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer (3) der Vorrichtung (1 ) und dem Druckkanal (5) der Vorrichtung (1) offen ist, sowie in eine geschlossene Stellung, in der die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer (3) der Vorrichtung (1) und dem Druckkanal (5) der Vorrichtung (1) durch das
Sicherheitsventil (19) unterbrochen ist, und wobei die Antriebswelle (1 1) der
Vorrichtung (1) mit der Ventilnocke (20) verbunden ist, derart, dass die Ventilnocke (20) beim Rotieren der Antriebswelle (11) das Sicherheitsventil (19) während des Drucktakts in die geöffnete Stellung bewegt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder einem der Ansprüche 6 bis 13 soweit
rückbezogen auf Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einiass (14) der Vorrichtung (1) dazu ausgebildet ist, mit einer Druckgasflasche (2) verbunden zu werden, wobei die Vorrichtung (1 ) weiterhin ein Flaschenventil (25a) aufweist, das dazu konfiguriert ist, eine Strömungsverbindung zwischen dem Einiass (14) und dem Saugkanal (4) zu öffnen und zu schließen.
15. Verfahren zur Druckerhöhung eines Fluids unter Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend die folgenden Schritte:
(1) Einsaugen des Fluids durch den Saugkanal (4) in die Verdichtungskammer (3) in einem Saugtakt,
(2) Kompression des in der Verdichtungskammer (3) befindlichen Fluids in einem Drucktakt, und
(3) Ausgeben des Fluids durch den Druckkanal (5) in dem Drucktakt.
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