WO2017016642A1 - Vorrichtung zur druckerhöhung eines fluids mit einem druckbegrenzungsventil - Google Patents

Vorrichtung zur druckerhöhung eines fluids mit einem druckbegrenzungsventil Download PDF

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WO2017016642A1
WO2017016642A1 PCT/EP2016/001197 EP2016001197W WO2017016642A1 WO 2017016642 A1 WO2017016642 A1 WO 2017016642A1 EP 2016001197 W EP2016001197 W EP 2016001197W WO 2017016642 A1 WO2017016642 A1 WO 2017016642A1
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WO
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pressure
valve
fluid
hydraulic fluid
piston
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PCT/EP2016/001197
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Robert Adler
Markus Stephan
Michael Stefan
Christoph Nagl
Original Assignee
Linde Aktiengesellschaft
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    • F04B7/00—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving
    • F04B7/0057—Mechanical driving means therefor, e.g. cams
    • F04B7/0061—Mechanical driving means therefor, e.g. cams for a rotating member
    • F04B7/0065—Mechanical driving means therefor, e.g. cams for a rotating member being mounted on the main shaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B45/00—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids
    • F04B45/04—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B45/053—Pumps having fluid drive
    • F04B45/0533—Pumps having fluid drive the fluid being actuated directly by a piston
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16K17/00—Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves
    • F16K17/02—Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves opening on surplus pressure on one side; closing on insufficient pressure on one side
    • F16K17/04—Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves opening on surplus pressure on one side; closing on insufficient pressure on one side spring-loaded
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16K17/048—Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves opening on surplus pressure on one side; closing on insufficient pressure on one side spring-loaded combined with other safety valves, or with pressure control devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/06—Pumps having fluid drive
    • F04B43/067—Pumps having fluid drive the fluid being actuated directly by a piston

Definitions

  • the invention relates to a device for increasing the pressure of a fluid with a pressure relief valve and a method for increasing the pressure of a fluid by means of a device according to the invention.
  • Prior art compressed gas storage devices have at least one valve which serves as a shut-off valve or throttling device.
  • valves may be equipped with a safety device, rupture discs are mostly used.
  • the valves are usually screwed in via threads and fixed and sealed with, for example, Teflon.
  • High-pressure compressors for home users such as those required in home-refueling applications, must, above all, be distinguished by a high degree of security.
  • a security risk for the user results, for example, by the occurrence of high pressures of the hydraulic fluid of a high pressure compressor due to malfunction.
  • Hydraulic pressure relief valves can be damaged if the pressure is exceeded due to the high flow velocities at the seat as a result of cavitation and abrasion.
  • Rupture discs for maximum pressure protection can only be used once, as they are mechanically damaged after a pressure has been exceeded.
  • the invention is therefore based on the object to provide a device for increasing the pressure and a corresponding method, or at least partially alleviates the aforementioned problems.
  • the occurrence of excessively high pressures of the hydraulic fluid should be prevented.
  • a pressure relief valve comprises a piston guided in a cylinder, wherein the cylinder opens into the hydraulic fluid chamber, and wherein the device comprises a first biasing means for biasing the piston against hydraulic fluid in the hydraulic fluid chamber, and wherein the first biasing means is adapted to the piston against the Hydraulic fluid pretension that the piston when exceeding a defined maximum pressure in the
  • Hydraulic fluid chamber moves to limit the said pressure.
  • Pressure limiting valve in case of pressure exceeding the hydraulic fluid no mechanical damage to the system.
  • the simple design of the pressure relief valve allows a particularly favorable solution for ensuring the pressure protection.
  • the pressure relief valve according to the invention is distinguished by its durability compared to hydraulic pressure relief valves of the prior art and by its reusability in comparison to rupture disks of the prior art.
  • a safety valve which is adapted to interrupt the flow connection between the compression chamber and the pressure channel in the suction cycle by the engagement of a coupled to the drive shaft valve cam.
  • the device may also include a heat exchanger for cooling
  • Exiting gas which protects the user from possible scalding due to escaping hot gas.
  • An inventive device for increasing the pressure can be used for a wide variety of gases and liquids.
  • Adaptation for a specific fluid may e.g. By adjusting the drive power, the materials used, the volumes and the dimensioning of the heat exchanger done.
  • the fluid is 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.
  • the cylinder of the pressure relief valve is closed by a closure means relative to the surrounding atmosphere.
  • the closure means can protrude into the cylinder.
  • the pressure relief valve can be sealed by a sealing means, wherein the closure means / sealing means located in the hydraulic fluid hydraulic fluid from a back of the pressure relief valve, which with
  • Atmospheric pressure is loaded, disconnected.
  • the sealant may e.g. at the
  • the first biasing means is supported on the closure means.
  • the first 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. As the first 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 device for compressing the fluid comprises a displacer piston which is arranged in the hydraulic fluid chamber, wherein the displacer piston is adapted to displace the hydraulic fluid.
  • the displacer has a circular cross-section or a cylindrical shape.
  • the said cross-section extends perpendicular to the direction of movement of the displacer.
  • the pressure limiting valve is configured such that the volume of the volume displaced when the maximum pressure is exceeded by the displacement piston of the device Hydraulic fluid moves only the piston of the pressure relief valve, in particular, the first biasing means is compressed or tensioned. That is, when exceeding the maximum pressure of the hydraulic fluid, the double diaphragm is not deformed or moved beyond its normal position and exceeding an allowable maximum pressure in the compression chamber and in the
  • Hydraulic fluid chamber is prevented. At the same time this prevents excessive loading of the double membrane.
  • said piston has a circular cross-section or a cylindrical shape.
  • the said cross section extends perpendicular to the
  • the first biasing means is designed as a first compression spring, wherein the first compression spring is in particular adapted to the piston against in the
  • 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.
  • 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.
  • the 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 eg 1, 6ccm.
  • the displacer diameter is here eg 20mm.
  • the piston of the pressure relief valve has, for example, a piston diameter of 12mm.
  • 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).
  • a device comprising several devices according to the invention (for example two), e.g. are connected in series.
  • the possibility exists e.g. from 50 bar to 300 bar and then from 300 bar to 750 bar.
  • the stroke volume of the displacer of the pressure increase device is 1 cubic centimeter to 20 cubic centimeters, in particular 1.6 cubic centimeters.
  • the diameter of the cross section of the displacer of the pressure increase device is 10 millimeters to 50 millimeters, in particular 20 millimeters.
  • Pressure increase 10 mm to 80 mm, in particular 12 mm.
  • the device has a suction channel, a compression chamber with a volume, and a pressure channel, wherein the compression chamber can be brought into fluid communication with the suction channel, so that via the suction channel fluid in the
  • the device preferably a double membrane comprising a first membrane and a second membrane adjacent to the first membrane.
  • the double membrane preferably adjoins the compression chamber and the displacer is preferably designed to press the hydraulic fluid to deform the double membrane against the double membrane so that the volume of the compression chamber of the device increases in a suction cycle, so that fluid through the suction channel in 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 located fluid is compressible and can be output via the pressure channel from the device.
  • 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 has an eccentric, which is designed to be against the
  • the device comprises a connected to rotate the eccentric with the eccentric drive shaft which is adapted to set the eccentric by rotating the drive shaft in rotation.
  • the eccentric in its simplest embodiment, a circular cross-sectional area or alternatively a cam shape or is formed as a cam, which may have a circumference which deviates from a circular shape.
  • 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 (second) biasing means, preferably a (second) compression spring, on.
  • the second biasing means is tensioned so that the first body by means of the tensioned second biasing means is stable in a position in which the first body, the flow connection between the compression chamber and the suction channel closes.
  • 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 (third) biasing means, preferably in the form of a (third) compression spring on.
  • the third biasing means is tensioned so that the second body by means of the tensioned third biasing means is stable in a position in which the second body closes the flow connection between the compression chamber and the pressure channel.
  • the pressure valve can also be a flutter valve (see above).
  • 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
  • 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.
  • 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 with each other and / or separately via a connecting means may be connected to the drive shaft or integrally formed thereon.
  • the safety valve is biased by a (fourth) biasing means, preferably 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 is closed during the suction cycle and opened during the pressure cycle. This results a seal between the pressure channel and the compression chamber. By means of this seal, for example, a fluid flow is prevented in the event of a damage.
  • the coupling of the state of the safety valve to the suction cycle or pressure cycle of the device results from the shape of the valve cam and the shape of the eccentric, each of which is in particular firmly connected to the drive shaft.
  • the safety valve has a valve piston, with a first
  • 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 second end section of the valve piston is preferably cone-shaped and configured in the second position of the valve piston
  • valve cylinder positively engages 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, even complex functions such as those determined from measurements are easy to implement.
  • 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 is a particularly favorable solution for isolating the device from downstream elements. According to a particularly advantageous embodiment of the present invention, it is provided that the inlet of the device is adapted to a
  • 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 fluid communication with the compressed gas cylinder so that gas can be dispensed from the compressed gas cylinder via the inlet and the cylinder valve into the suction channel, and so that
  • the device or the housing of the device together with the 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).
  • fuel e.g., fuel cell
  • 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 drive power of the drive shaft of 250 W a typical compressed gas reservoir of 1.1 l 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
  • a fluid preferably a gas, in particular gaseous hydrogen
  • a device according to the invention for pressure increase the fluid is sucked through the suction channel into the compression chamber in a suction cycle.
  • the fluid in the compression chamber is compressed and discharged through the pressure channel.
  • a fluid, more preferably a gas, particularly preferably gaseous hydrogen are transferred from a first gas reservoir with a first pressure into a second gas reservoir with a second pressure, wherein the second pressure may be greater than the first pressure
  • a fluid, preferably gas, particularly preferably gaseous hydrogen from 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. Further features and advantages of the invention will be explained below in the description of exemplary embodiments with reference to the figures. Show it:
  • FIG. 1 shows a sectional view of a device according to the invention for increasing the pressure with a pressure limiting valve
  • 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.
  • 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. Accordingly, a fluid or gas can pass from the first fluid container via the suction channel 4 into the device 1, there be compressed and output via the pressure channel 5 in a second fluid container.
  • 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 diaphragm 6, 7 extends along an extension plane which runs parallel to the said cross section of the chamber 8 or the end face of the displacer piston 9. The direction of movement of the piston 9 thus extends perpendicular to
  • the device 1 for pressure increase according to Figures 1 and 3 further comprises a pressure relief valve 18 with a piston 22, a cylinder 21, and a (first) 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 biasing means 35 from a closure means 26 a, which closes the cylinder 21 outwardly at a first end of the cylinder 21, wherein further the cylinder 21 at a opposite second end opens into the hydraulic fluid chamber 8 of the device 1.
  • 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 first biasing means 35 in the cylinder 21 from the chamber 8, whereby the volume of the chamber 8 effectively increases and
  • 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
  • Compaction chamber 3 can be interrupted by a suction valve 12 which is configured to open when a maximum pressure difference between suction channel 4 and compression chamber 3 is exceeded, so that fluid to be compressed during a suction cycle via the suction channel 4 and the (open) suction valve 12 in the
  • Compression chamber 3 passes. Meanwhile, 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 which adjoins the suction stroke (during the pressure stroke, the suction valve 12 is closed).
  • the two valves 12, 13 are each a spring-biased ball valve.
  • the two valves 12, 13 may each also be flutter valves (see also above).
  • 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 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 16 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 the leak detection means 16 is detectable.
  • 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 furthermore has a drive shaft 11, which extends along a longitudinal or cylindrical axis, in particular parallel to the plane of extent of the double membrane 6, 7 and in particular perpendicular to the
  • the drive shaft 11 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
  • 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 provided in particular on the drive shaft 11 so that it moves in the pressure cycle of the device 1 when rotating the drive shaft 1 1 about the longitudinal axis of the drive shaft 11 to the displacer 9 and this presses against the hydraulic fluid in the chamber 8, so that the double membrane 6, 7 compresses the previously sucked in the suction cycle in the compression chamber 3 fluid in the pressure cycle and outputs via the pressure channel 5 with open pressure valve 13.
  • the displacer 9 may further comprise a recess 28 at a contact surface to the eccentric 10 to store lubricant and thus the friction of that contact surface between the eccentric 10 and the
  • 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 19 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 of the valve piston is preferably formed cone-shaped and engages positively in the second position of the valve piston 31 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.
  • valve cam 20 may in particular be formed integrally with the eccentric 10.
  • 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
  • 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 integrated into it, ie, a housing 24 of the device 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 integrated into it, ie, a housing 24 of the device is provided, which is provided with a cylinder valve 25a for shutting off the suction channel 4 forms a unit.
  • the 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.
  • valve 25 a Fluid communication, via the valve 25 a, the e.g. manually operable (e.g., via a corresponding fitting). With open cylinder valve 25 a is thus fluid from a to the
  • Compressed gas cylinder valve 1 connected compressed gas cylinder through the inlet 25 and the suction channel 4 in the device 1 and the compressed gas cylinder valve 1 sucked, by means of the device 1 compressible and can be output by the pressure channel 5 and outlet 34 at elevated pressure.
  • a coupling means 27 is further provided, which with the
  • Drive shaft 11 of the device 1 is connected, 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 1 1, 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 zur Druckerhöhung (1) eines Fluids mit einem Druckbegrenzungsventil (18). Die Druckerzeugungsvorrichtung (1) ist dabei als Membrankompressor ausgebildet, der zwei Membranen (6,7) aufweist. Die Membranen (6,7) werden dabei über einen Verdrängerkolben (9), der in einer Hydraulikfluidkammer (8) translatorisch gelagert ist, betätigt. Der Verdrängerkolben (9) wird über einen, auf einer Antriebswelle (11) gelagerten, Exzenter (10) betätigt. Zur Vermeidung möglicher Schäden an den Membranlagen (6,7) weist die Druckerhöhungsvorrichtung (1) ein Druckbegrenzungsventil (18), welches bei Überschreitung eines Maximaldrucks innerhalb der Hydraulikfluidkammer (8) betätigt wird und den Druck begrenzt. Das Druckbegrenzungsventil (18) weist einen Kolben (22) auf der gegen die Hydraulikfluidkammer (8) durch ein Vorspannmittel (35) vorgespannt wird. Weiterhin weist das Druckbegrenzungsventil (18) ein Verschlussmittel (26a) auf, gegen das sich das Vorspannmittel (35) abstützt. Die Druckerhöhungsvorrichtung (1) wird als Kompressor für Druckgasflaschen (2) verwendet.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Druckerhöhunq eines Fluids mit einem Druckbeqrenzunqsventil
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Fluids mit einem Druckbegrenzungsventil 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 Stand der Technik, wird bei der Entnahme aus Gasspeichern 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 unvorteilhaft. Hochdruckverdichter für Privatanwender, wie sie bei Home-refueling-Anwendungen benötigt werden, müssen sich vor allem durch ein hohes Maß an Sicherheit auszeichnen. Ein Sicherheitsrisiko für den Benutzer ergibt sich beispielsweise durch das Auftreten zu hoher Drücke des Hydraulikfluids eines Hochdruckverdichters durch Fehlfunktionen.
Mittels Druckbegrenzungsventilen nach dem Stand der Technik, wie z.B. hydraulischen Druckbegrenzungsventilen oder Berstscheiben, kann das Auftreten erhöhter
Hydraulikfluiddrücke unterbunden werden.
Hydraulische Druckbegrenzungsventile können bei einer Drucküberschreitung, bedingt durch die hohen Durchflussgeschwindigkeiten am Sitz in Folge von Kavitation und Abrasion beschädigt werden.
Berstscheiben zur Maximaldruckabsicherung können lediglich einmal verwendet werden, da diese nach einer Drucküberschreitung mechanisch beschädigt sind. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Druckerhöhung sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, die bzw. das die vorgenannten Probleme zumindest teilweise mindert. Insbesondere soll zum Schutze des Benutzers der Vorrichtung das Auftreten von zu hohen Drücken des Hydraulikfluids verhindert werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben. Gemäß Anspruch 1 ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das
Druckbegrenzungsventil einen in einem Zylinder geführten Kolben aufweist, wobei der Zylinder in die Hydraulikfluidkammer mündet, und wobei die Vorrichtung ein erstes Vorspannmittel zum Vorspannen des Kolbens gegen in der Hydraulikfluidkammer befindliches Hydraulikfluid aufweist, und wobei das erste Vorspannmittel dazu ausgebildet ist, den Kolben derart gegen das Hydraulikfluid vorzuspannen, dass sich der Kolben bei einer Überschreitung eines definierten Maximaldrucks in der
Hydraulikfluidkammer bewegt, um den besagten Druck zu begrenzen.
Erfindungsgemäß ist also insbesondere vorgesehen, dass bei einer Überschreitung des Maximaldrucks ein Teil des Hydraulikfluids aus der Hydraulikfluidkammer in den Teil bzw. Abschnitt des Zylinders fließt, welcher in die Hydraulikfluidkammer mündet und welcher durch eine Bewegung des Kolbens in Strömungsverbindung mit der Hydraulikfluidkammer gebracht wird bzw. frei gegeben wird. Somit entstehen durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen
Druckbegrenzungsventils im Falle einer Drucküberschreitung des Hydraulikfluids keine mechanischen Beschädigungen am System.
Der einfache Aufbau des Druckbegrenzungsventils erlaubt eine besonders günstige Lösung für die Sicherstellung der Druckabsicherung.
Das erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventil zeichnet sich im Vergleich zu hydraulischen Druckbegrenzungsventilen des Standes der Technik durch seine Langlebigkeit und im Vergleich zu Berstscheiben des Stands der Technik durch seine Wiederverwendbarkeit aus.
Als zusätzliche Sicherheitsvorrichtung dient in einzelnen Ausgestaltungsformen der Erfindung ein Sicherheitsventil, das dazu ausgebildet ist, die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer und dem Druckkanal im Saugtakt durch den Eingriff einer mit der Antriebswelle gekoppelten Ventilnocke zu unterbrechen. Somit wird der Benutzer vor mit Hochdruck austretendem Gas geschützt.
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 z.B. durch Anpassung der Antriebsleistung, der eingesetzten Materialien, der Volumina sowie der Dimensionierung der Wärmeüberträger erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Fluid ein Gas, ein Gasgemisch oder ein Flüssigkeits-/Gasgemisch, bevorzugt ein Gas, besonders bevorzugt Wasserstoff- Gas. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Hydraulikfluid eine
Hydraulikflüssigkeit, besonders bevorzugt eine inkompressible Hydraulikflüssigkeit.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zylinder des Druckbegrenzungsventils durch ein Verschlussmittel gegenüber der umgebenden Atmosphäre verschlossen ist. Das Verschlussmittel kann in den Zylinder hineinragen.
Weiterhin kann das Druckbegrenzungsventil durch ein Dichtmittel abgedichtet sein, wobei das Verschlussmittel/Dichtmittel das in der Hydraulikfluidkammer befindliche Hydraulikfluid von einer Rückseite des Druckbegrenzungsventils, welche mit
Atmosphärendruck belastet wird, abtrennt. Das Dichtmittel kann z.B. am
Verschlussmittel umlaufen. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Vorspannmittel sich an dem Verschlussmittel abstützt. Das erste 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 ersten 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 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Verdichten des Fluids einen Verdrängerkolben aufweist, der in der Hydraulikfluidkammer angeordnet ist, wobei der Verdrängerkolben dazu ausgebildet ist, das Hydraulikfluid zu verdrängen.
Vorzugsweise weist der Verdrängerkolben einen kreisförmigen Querschnitt bzw. eine zylindrische Gestalt auf. Der besagte Querschnitt erstreckt sich dabei senkrecht zur Bewegungsrichtung des Verdrängerkolbens.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Druckbegrenzungsventil so konfiguriert ist, dass das bei einer Überschreitung des Maximaldrucks durch den Verdrängerkolben der Vorrichtung verdrängte Volumen des Hydraulikfluids lediglich den Kolben des Druckbegrenzungsventils bewegt, wobei insbesondere das erste Vorspannmittel komprimiert bzw. gespannt wird. 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 ist vorgesehen, dass der besagte Kolben einen kreisförmige Querschnitt bzw. eine zylindrische Gestalt aufweist. Der besagte Querschnitt erstreckt sich dabei senkrecht zur
Bewegungsrichtung des Kolbens.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Vorspannmittel als eine erste Druckfeder ausgestaltet ist, wobei die erste Druckfeder insbesondere dazu ausgebildet ist, den Kolben gegen in der
Hydraulikfluidkammer und/oder im Zylinder befindliches Hydraulikfluid zu drücken (siehe oben). 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. Dies erlaubt eine besonders genaue Auslegung des ersten Vorspannmittels (z.B. Feder, insbesondere Druckfeder) im Druckbegrenzungsventil, da durch die geringen Hubbewegungen geringe Abweichungen in der Vorspannkraft des (dritten) Vorspannmittels infolge
Längenänderung resultieren. 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.
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 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Saugkanal, eine Verdichtungskammer mit einem Volumen, und einen Druckkanal aufweist, wobei die Verdichtungskammer mit dem Saugkanal in Strömungsverbindung bringbar ist, so dass über den Saugkanal Fluid in die
Verdichtungskammer einsaugbar ist, und wobei die Verdichtungskammer mit dem Druckkanal in Strömungsverbindung bringbar ist, so dass über den Druckkanal Fluid aus der Verdichtungskammer ausgebbar ist. Weiterhin weist die Vorrichtung vorzugsweise eine Doppelmembran, aufweisend eine erste Membran und eine an der ersten Membran anliegende zweite Membran, auf. Dabei grenzt die Doppelmembran vorzugsweise an die Verdichtungskammer an und der Verdrängerkolben ist bevorzugt dazu ausgebildet, das Hydraulikfluid zum Verformen der Doppelmembran so gegen die Doppelmembran zu drücken, 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 befindliches Fluid verdichtbar ist und über den Druckkanal aus der Vorrichtung ausgebbar ist.
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 weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Exzenter aufweist, der dazu ausgebildet ist, gegen den
Verdrängerkolben zu drücken, so dass der Verdrängerkolben das Hydraulikfluid gegen die Doppelmembran drückt.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Vorrichtung eine zum Rotieren des Exzenters mit dem Exzenter verbundene Antriebswelle aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Exzenter durch Rotieren der Antriebswelle in Rotation zu versetzen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Exzenter in seiner einfachsten Ausgestaltungsform eine kreisförmige Querschnittsfläche auf oder alternativ eine Nockenform bzw. ist als Kurvenscheibe ausgebildet, die einen Umfang aufweisen kann, der von einer Kreisform abweicht.
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 (zweites) Vorspannmittel, bevorzugt eine (zweite) Druckfeder, auf. Dabei ist das zweite Vorspannmittel so spannbar, dass der erste Körper mittels des gespannten zweiten 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 (drittes) Vorspannmittel, bevorzugt in Form einer (dritten) Druckfeder, auf. Dabei ist das dritte Vorspannmittel so spannbar, dass der zweite Körper mittels des gespannten dritten 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 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 einstückig an diese angeformt sein können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Sicherheitsventil durch ein (viertes) Vorspannmittel, bevorzugt eine (vierte) 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 I Volumen in unter 5 Minuten betankt werden.
Dabei wird bei Annahme eines isentropischen Vorgangs bei einer Eingangstemperatur von 20°C eine Ausgangstemperatur von 215°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 mit einem Druckbegrenzungsventil;
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.
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 die erste 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. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung 1 zur Druckerhöhung gemäß Figuren 1 und 3 weiterhin ein Druckbegrenzungsventil 18 mit einem Kolben 22, einem Zylinder 21 , und einem (erstem) 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 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 ersten 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. 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. Bei den beiden Ventilen 12, 13 kann es sich jeweils auch um Flatterventile handeln (siehe auch oben). 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.
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 16 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 11 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 11 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 11 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 11 vorgesehen, dass er sich im Drucktakt der Vorrichtung 1 beim Rotieren der Antriebswelle 1 1 um die Längsachse der Antriebswelle 11 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 Schmiermedium einzulagern und somit die Reibung jener Kontaktfläche zwischen dem Exzenter 10 und dem
Verdrängerkolben 9 zu reduzieren.
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 19 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 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 sowie stromauf des Auslasses 15 angeordnet ist. Der Wärmeübertrager dient zum Kühlen des aus dem Druckkanal 5 ausgegebenen, verdichteten Fluids. 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 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 11 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 1 1 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
Erstes Vorspannmittel 35

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Fluids, mit:
einer Hydraulikfluidkammer (8) zur Aufnahme eines Hydraulikfluids,
einem Druckbegrenzungsventil (18) zum Begrenzen eines Drucks in der
Hydraulikfluidkammer (8), dadurch gekennzeichnet, dass
das Druckbegrenzungsventil (18) einen in einem Zylinder (21) geführten
Kolben (22) aufweist, wobei der Zylinder (21) in die Hydraulikfluidkammer (8) mündet, und wobei die Vorrichtung (1 ) ein erstes Vorspannmittel (35) zum
Vorspannen des Kolbens (22) gegen in der Hydraulikfluidkammer (8) befindliches Hydraulikfluid aufweist, und wobei das erste 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.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (21 ) des Druckbegrenzungsventils (18) durch ein Verschlussmittel (26a) gegenüber der umgebenden Atmosphäre verschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste
Vorspannmittel (35) sich an dem Verschlussmittel (26a) abstützt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) zum Verdichten des Fluids einen Verdrängerkolben (9) aufweist, der in der Hydraulikfluidkammer (8) angeordnet ist, wobei der
Verdrängerkolben (9) dazu ausgebildet ist, das Hydraulikfluid zu verdrängen, und wobei der Verdrängerkolben (9) insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das
Druckbegrenzungsventil (18) so konfiguriert ist, dass das bei einer Überschreitung des Maximaldrucks durch den Verdrängerkolben (9) der Vorrichtung (1 ) verdrängte Volumen des Hydraulikfluids lediglich den Kolben (22) des
Druckbegrenzungsventils (18) bewegt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der besagte Kolben (22) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des
Querschnitts des Verdrängerkolbens (9) und dem Durchmesser des Querschnitts des Kolbens (22) des Druckbegrenzungsventils (18) kleiner oder gleich 5 ist, insbesondere kleiner oder gleich 1 , insbesondere kleiner oder gleich 0,5.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das erste Vorspannmittel (35) als eine erste Druckfeder ausgestaltet ist, wobei die erste Druckfeder (35) dazu ausgebildet ist, den Kolben (22) gegen in der Hydraulikfluidkammer (8) und/oder im Zylinder (21 ) befindliches Hydraulikfluid zu drücken. 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das erste Vorspannmittel einen vorgespannten Zustand mit einer ersten Federlänge und einen eingefederten Zustand mit einer zweiten Federlänge aufweist, wobei das Verhältnis zwischen der ersten Federlänge und der zweiten Federlänge im Bereich von 0,6 bis 1 , bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 1 liegt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder einem der Ansprüche 5 bis 9 sofern
rückbezogen auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen Saugkanal (4), eine Verdichtungskammer (3) mit einem Volumen, und einen Druckkanal (5) aufweist, 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) Fluid aus der Verdichtungskammer (3) ausgebbar ist, und wobei 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 der Verdrängerkolben (9) dazu ausgebildet ist, das Hydraulikfluid zum Verformen der Doppelmembran (6,7) so gegen die Doppelmembran (6,7) zu drücken, 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 über den Druckkanal (5) aus der Vorrichtung (1 ) ausgebbar ist. 1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, 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, und dass die
Vorrichtung (1 ) eine zum Rotieren des Exzenters (10) mit dem Exzenter (10) verbundene Antriebswelle (11) aufweist, die dazu ausgebildet ist, den
Exzenter (10) durch Rotieren der Antriebswelle (1 1 ) in Rotation zu versetzen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Vorrichtung (1) ein Saugventil (12) aufweist, das dazu ausgebildet ist, die
Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer (3) und dem Saugkanal
(4) während des Saugtakts offenzuhalten sowie während des Drucktakts zu unterbrechen, und/oder dass die Vorrichtung (1 ) 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.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 oder nach Anspruch 12 sofern rückbezogen auf Anspruch 11 , 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. Verfahren zur Druckerhöhung eines Fluids unter Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, 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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