WO2017016643A1 - Vorrichtung zur druckerhöhung eines fluids mit einem sicherheitsventil - Google Patents

Vorrichtung zur druckerhöhung eines fluids mit einem sicherheitsventil Download PDF

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WO2017016643A1
WO2017016643A1 PCT/EP2016/001198 EP2016001198W WO2017016643A1 WO 2017016643 A1 WO2017016643 A1 WO 2017016643A1 EP 2016001198 W EP2016001198 W EP 2016001198W WO 2017016643 A1 WO2017016643 A1 WO 2017016643A1
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WO
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pressure
fluid
piston
compression chamber
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Robert Adler
Markus Stephan
Christoph Nagl
Johannes FRITZER
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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    • 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
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    • 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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    • 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 safety valve.
  • Compressed gas storage liquid gas storage and metal hydride storage.
  • 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.
  • a compressor is used in the removal from gas storage, which is not part of the gas storage. It must therefore be available as a connection between compressed gas cylinder and compressor corresponding high-pressure lines.
  • prior art devices for the compression of gases e.g. Reciprocating compressor and rotary compressor known.
  • Reciprocating compressor and rotary compressor known.
  • the use of external gas compressors due to the high cost, space requirements and the
  • High-pressure compressors for private users such as those required for home-refueling applications, must be distinguished above all by a high degree of safety.
  • Automatically operated pressure valves of the prior art work with
  • the invention is therefore based on the object to provide a device for increasing the pressure of fluids with an improved safety valve.
  • the invention provides that the device has a safety valve, which can be brought into an open position in which the flow connection between the compression chamber and the pressure channel is open and compressed fluid passes the safety valve over from the compression chamber into the pressure channel, and in a closed position in which the
  • Fluid communication through the safety valve is interrupted, so that no fluid passes through the safety valve in the pressure channel, wherein the device further comprises a valve connected to the drive shaft valve cam, which is adapted to move the safety valve in the open position upon rotation of the drive shaft.
  • valve cam is preferably formed when rotating the
  • the problem according to the invention is thus achieved in particular by a safety valve which can be controlled via a coupling to a rotating drive shaft of the device by means of a valve cam depending on the position of the drive shaft or the valve cam.
  • the safety valve may e.g. the
  • the type of control is adaptable by adapting the geometric shape of the valve cam for a variety of functions and desired timing.
  • a safety valve according to the invention represents a particularly favorable solution for isolating a device for increasing the pressure.
  • a pressure relief valve which reduces hazards to the user by increasing pressures in the hydraulic fluid chamber of the pressure increasing device.
  • the device according to the invention can also have a
  • the fluid comprises a gas, a gas mixture or a liquid / gas mixture, preferably a gas, more preferably hydrogen gas.
  • the safety valve by a (first) biasing means against the valve cam in Direction is biased to the closed position, so that in particular 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 or held there.
  • the safety valve has a valve piston, with a first end portion which is slidably disposed in a valve cylinder of the device.
  • the valve cylinder extends through the pressure channel and into a
  • Valve chamber opens, via which the compression chamber can be brought into fluid communication with the pressure channel when the safety valve is in its open position (in particular during the pressure cycle).
  • valve cam is 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.
  • valve piston has a second end portion, which projects into the valve chamber in this first position, so that compressed fluid can pass the second end portion over the valve cylinder into the pressure channel.
  • valve piston is biased in the direction of a second position by means of the (in particular arranged in the valve chamber and in particular as a first compression spring) first biasing means which presses against the second end portion of the valve piston, which corresponds to the closed position of the safety valve.
  • 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 the 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 device has a suction channel, wherein the compression chamber with the suction channel in
  • Fluid connection can be brought, so that via the suction fluid in the
  • the device preferably has 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 device is preferably designed to deform the double membrane by means of a hydraulic fluid so that the volume of the compression chamber of the device increases in a suction stroke, so that fluid via 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 located fluid is compressible and can be output via the pressure channel from the device.
  • the hydraulic fluid is a hydraulic fluid, particularly preferably an incompressible
  • 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
  • the device has a hydraulic fluid chamber for receiving the hydraulic fluid, a displacer, an eccentric, and connected to the eccentric drive shaft, which is preferably designed to enable the eccentric by rotation of the drive shaft in rotation.
  • the displacer is preferably in the
  • Hydraulic fluid chamber arranged slidably and adapted to push the hydraulic fluid to deform the double membrane against the double membrane.
  • the eccentric is designed to press against the displacer during rotation, so that the displacer presses the hydraulic fluid against the double diaphragm.
  • the hydraulic fluid chamber and the displacer piston may have a circular cross-sectional area.
  • the respective cross-section extends in each case perpendicular to the direction of movement of the displacer.
  • 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 eccentric with the drive shaft in one piece, that is, integrally, executed or connected thereto via another connecting means.
  • valve cam and the eccentric of the device are designed to perform a common rotation.
  • valve cam has a circular cross-sectional area.
  • valve cam as
  • valve cam can be ground as a cam.
  • the cam may have a circumference that deviates from a circular shape.
  • valve cam is in one piece, 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 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 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 drive shaft is adapted to, with a device for generating a torque
  • the drive shaft of the device is adapted to be releasably coupled with a drill or a cordless screwdriver, so that the drive shaft of the drill or the cordless screwdriver is set in rotary motion.
  • the drive shaft can have a corresponding recess into which that device for generating a torque (for example a drill or a cordless screwdriver) can engage positively and / or non-positively.
  • the device has a first fluid container (e.g., pressurized gas bottle, see below) such that the suction passage is connectable to the first fluid container.
  • a first fluid container e.g., pressurized gas bottle, see below
  • 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 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 (third) biasing means, preferably in the form of a (third) compression spring on.
  • the third biasing means is so tensioned, 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 heat exchanger, which is designed 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 embodiment of the inventors said heat exchanger is configured to use ambient air as a coolant. Furthermore, the
  • Heat exchanger use a liquid coolant and can be configured in particular for evaporative cooling.
  • Heat exchanger preferably designed so that the temperature of the out of the
  • Pressure channel escaping 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 can be lowered by at least 175 ° C.
  • 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 in the hydraulic fluid chamber the device opens.
  • the pressure relief valve further comprises (fourth) biasing means for biasing the piston against hydraulic fluid in the hydraulic fluid chamber.
  • the fourth biasing means is adapted to bias the piston against the hydraulic fluid such that the piston is defined when exceeding a bias by the piston
  • Pressure limiting valve closed by a closure means relative to the surrounding atmosphere, wherein the closure means projects in particular into the cylinder, and wherein the closure means is preferably sealed by means of a sealing means.
  • the fourth 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. With increasing tension or deflection of the fourth biasing means, the piston moves in the direction of the closure means, so that the pressure in the hydraulic fluid is limited.
  • said piston has a circular cross-sectional area.
  • the cross section in question extends perpendicular to the direction of movement of the piston.
  • the ratio between the diameter of the cross section of the displacer and the diameter of the cross section of the piston of the pressure relief valve is less than or equal to 5, in particular less than or equal to 1, in particular less than or equal to 0.5.
  • the fourth biasing means is configured as a fourth compression spring, wherein the fourth compression spring is adapted to the piston against befindlichem in the hydraulic fluid chamber or in the cylinder
  • 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 fourth 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 fourth 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. According to a further advantageous embodiment, the diameter of the cross section of the piston of the pressure limiting valve of the device for
  • Pressure increase 10 mm to 80 mm, in particular 12 mm.
  • 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 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 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
  • a fluid preferably a gas, in particular gaseous hydrogen
  • 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
  • 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.
  • 1 shows a sectional view of a device according to the invention for pressure increase with a safety valve
  • 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) is in fluid communication, and with a pressure channel 5, which via an outlet 15 with a second fluid container (not shown) in
  • 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 device 1 for pressure increase or compression has according to the invention a safety valve 19, which is configured to interrupt the flow connection between the compression chamber 3 and the pressure channel 5 and to close the pressure channel 5.
  • 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 32a and in particular sealed by means of two circumferential to the end portion 32 seals 32b, so that the compressed fluid does not over the
  • Valve cylinder 32a can escape.
  • the valve cylinder 32a extends with a portion through the pressure passage 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 one
  • Valve chamber 33 via which the compression chamber 3 is in flow communication with the pressure channel 5 when the safety valve 19 is in its open position (in particular during the pressure cycle).
  • the valve piston 31 cooperates with a connected to a 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.
  • the drive shaft 1 1 serves to drive the device 1, such that it can compress the fluid in the compression chamber 3, which will be described in detail below.
  • valve piston 31 In the first position of the valve piston 31, a second end section 30 of the valve piston 31 protrudes into the valve chamber 33, so that compressed fluid can pass the second end section 30 past the valve cylinder 32a into the pressure channel 5.
  • the valve piston 31 is further arranged by means of a (first) biasing means 29, preferably in the form of a (first) compression spring 29, which is arranged in the valve chamber 33 is pressed against the second end portion of the valve piston 31, biased toward a second position, the closed position of the
  • Valve piston 31 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 a
  • valve piston Fluid communication between the valve chamber 33 and the valve cylinder 32a (and thus also with the pressure channel 5) interrupts.
  • 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 ,
  • valve cam 20 may be integrally formed with an eccentric 10 used to compress the fluid and also connected to the drive shaft 11 so as to rotate together with the drive shaft 11.
  • 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 first compression spring 29, so that the flow connection between the compression chamber 3 and the pressure channel 5 is opened.
  • the suction channel 4 and the pressure channel 5 each open into the compression chamber 3 a. In this case, a flow connection between the suction channel 4 and the
  • Compression chamber 3 further characterized by a suction valve 12 which is configured to open when exceeding a maximum pressure difference between the suction channel 4 and compression chamber 3, so that to be compressed fluid during a Saugtakts on the suction port 4 and the (open) suction valve 12 in the compression chamber 3 passes.
  • a pressure valve 13 which is provided in particular upstream of the safety valve 19, closed and interrupts a flow connection between the compression chamber 3 and the pressure channel fifth
  • 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 follows the suction cycle (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 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 piston 9 is slidably disposed, so that the displacer 9 is a cross section of the hydraulic fluid chamber 8.
  • Hydrauiikfluidhunt 3 which extends transversely to a direction of movement of the displacer 9, fills and in the direction of movement in the Hydrauiikfluidhunt 8 back and forth is movable.
  • the hydraulic fluid chamber 8 is in this case closed or bounded on a first side by an end face of the displacement piston 9. On a second side opposite the first side, the compression chamber 3 adjoins the
  • Hydrauiikfluidhunt 8 wherein between the compression chamber 3 and the Hydrauiikfluidhunt 8 a double membrane 6.7, comprising a first diaphragm 6 and a voltage applied to the first diaphragm 6 second diaphragm 7, is arranged.
  • the double membrane 6, 7 thus separates the Hydrauiikfluidhunt 8 of the
  • Compression chamber 3 seals the Hydrauiikfluidhunt 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 displacement piston 9. The direction of movement of the piston 9 thus extends perpendicular to
  • 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 is applied to the
  • Double membrane 6, 7 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. As already indicated, is shown in FIG. 1 for driving the device 1 the
  • Drive shaft 1 1 is provided, which extends along a longitudinal or cylindrical axis, in particular parallel to the plane of extension of the double diaphragm 6, 7 and in particular perpendicular to the direction of movement of the displacer 9.
  • the drive shaft 1 1 is on a side remote from the double diaphragm 6, 7 side the displacement piston 9 is provided and is connected for driving the displacement piston 9 with said eccentric 10.
  • the drive shaft 1 1 has in particular a circular cross section and has at a free end (on an outside of the device 1) via a coupling means 27, e.g. in form of a
  • the said torque generating means may, for example, positively and / or non-positively engage in said recess (eg, electric 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 store lubricant and thus the friction of that contact surface between the eccentric 10 and the
  • the printing device according to the invention according to FIG. 1 has a
  • Heat exchanger 17 the e.g. is disposed downstream of the pressure channel 5 and upstream of the outlet 15.
  • the heat exchanger 17 is used for cooling the output from the pressure channel 5, compressed fluid.
  • the pressure increasing device 1 of FIGS. 1 and 3 may further include a pressure relief valve 18 having a piston 22, a cylinder 21, and a (fourth) biasing means 35, preferably in the form of a (fourth) compression spring 35.
  • the piston 22 of the pressure limiting valve 18 is slidably mounted in the cylinder 21 and is supported via the biasing means 35 on 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 away from the chamber 8 upon reaching a maximum pressure in the hydraulic fluid chamber 8 against the spring force of the (fourth) biasing means 35 in the cylinder 21, whereby the volume of the chamber 8 is effectively increased and limited according to the prevailing pressure on the said maximum pressure becomes.
  • 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.
  • this embodiment of the device 1 according to FIG. 2 furthermore has an inlet 25, which is configured to connect a compressed gas cylinder 2, 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 for 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 communication via the valve 25 a, the e.g. manually operable (e.g., via a corresponding fitting).
  • Compressed gas cylinder valve 1 connected compressed gas cylinder 2 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 1 1 of the device 1 is connected, and is accessible via a recess of the housing 24, for example. 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 mit einem betätigbaren Sicherheitsventil (19). Das Sicherheitsventil (19) wird dabei über einen Ventilnocken (20) betätigt. Der Ventilnocken ist mit einem Exzenter (10) auf einer Antriebswelle (11) gelagert. Der Exzenter (10) bewegt dabei einen Verdrängerkolben (9), der hydraulisch eine Doppelmembran (4,5) der Druckerhöhungsvorrichtung (10) betreibt. Das Sicherheitsventil (19) ist zusätzlich zu einem üblichen Druckventil (13) im Druckkanal (5) vorgesehen. Die Druckerhöhungseinrichtung (10) wird insbesondere zur weiteren Kompression von in Druckgasflaschen (2) befindlichen Medien verwendet und das zusätzliche Sicherheitsventil (19) im Druckkanal (5) soll ein Austreten des komprimierten Gases aus der Druckgasflasche (2) unterbinden. Das Sicherheitsventil (19) weist dabei ein Federelement (29) auf, welches das Sicherheitsventil (19) in eine erste geschlossene Position zwingt. Der Ventilnocken (20) öffnet das Sicherheitsventil (19) simultan mit dem Druckhub des Verdrängerkolbens (9).

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Fluids mit einem Sicherheitsventil
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Druckerhöhung eines Fluids mit einem Sicherheitsventil.
Zu den meistverwendeten Speichersystemen für Wasserstoffgas zählen
Druckgasspeicher, Flüssiggasspeicher und Metallhydridspeicher.
Druckgasspeicher nach 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. Automatisch betätigte Druckventile nach Stand der Technik arbeiten mit
Differenzdrücken und gewährleisten im Falle einer Überschreitung des Öffnungsdrucks keine sichere Isolation zwischen Verdichtungskammer und Druckausgang eines Verdichters
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Druckerhöhung von Fluiden mit einem verbesserten Sicherheitsventil zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
Gemäß Anspruch 1 ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung ein Sicherheitsventil aufweist, das in eine geöffnete Stellung bringbar ist, in der die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer und dem Druckkanal offen ist und verdichtetes Fluid am Sicherheitsventil vorbei aus der Verdichtungskammer in den Druckkanal gelangt, sowie in eine geschlossene Stellung, in der die
Strömungsverbindung durch das Sicherheitsventil unterbrochen ist, so dass kein Fluid über das Sicherheitsventil in den Druckkanal gelangt, wobei die Vorrichtung weiterhin eine mit der Antriebswelle verbundene Ventilnocke aufweist, die dazu ausgebildet ist, beim Rotieren der Antriebswelle das Sicherheitsventil in die geöffnete Stellung zu bewegen.
Hierbei ist die Ventilnocke vorzugsweise dazu ausgebildet, beim Rotieren der
Antriebswelle das Sicherheitsventil periodisch, insbesondere während des Drucktakts (siehe auch unten) in die geöffnete Stellung zu bewegen.
Mit anderen Worten wird das erfindungsgemäße Problem also insbesondere durch ein Sicherheitsventil gelöst, das über eine Kopplung an eine rotierende Antriebswelle der Vorrichtung mittels einer Ventilnocke abhängig von der Position der Antriebswelle bzw. der Ventilnocke steuerbar ist. So kann das Sicherheitsventil z.B. die
Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer und dem Druckkanal der Vorrichtung in einem Saugtakt verschließen, während die Strömungsverbindung in einem Drucktakt geöffnet ist. Ein Fluidstrom ist somit nur dann möglich, wenn entsprechend der geometrischen Form der Ventilnocke vorgesehen ist, dass das Sicherheitsventil geöffnet ist.
Die Art der Steuerung ist durch Anpassung der geometrischen Form der Ventilnocke für verschiedenste Funktionen und gewünschte Steuerzeiten anpassbar.
Z.B. kann sichergestellt werden, dass in einem Schadensfall der Vorrichtung das Sicherheitsventil einen Fluidstrom unterbindet, so dass der Benutzer vor austretendem Fluid geschützt ist.
Bedingt durch die geringen Reibungsverluste bei der Betätigung durch die Ventilnocke wird nur eine geringe Leistung zum Antrieb des Sicherheitsventils benötigt.
Im Vergleich zu elektrischen oder pneumatischen Isolationsventilen stellt ein erfindungsgemäßes Sicherheitsventil eine besonders günstige Lösung zur Isolation einer Vorrichtung zur Druckerhöhung dar.
Als zusätzliche Sicherheitsvorrichtung dient in einzelnen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ein Druckbegrenzungsventil, welches Gefahren für den Benutzer durch erhöhte Drücke in der Hydraulikfluidkammer der Vorrichtung zur Druckerhöhung vermindert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem einen
Wärmeüberträger zur Kühlung von austretendem Gas aufweisen, wodurch der Benutzer ebenfalls 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 der Erfindung weist das Fluid ein Gas, ein Gasgemisch oder ein Flüssigkeits-/Gasgemisch, bevorzugt ein Gas, besonders bevorzugt Wasserstoff-Gas auf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sicherheitsventil durch ein (erstes) Vorspannmittel gegen die Ventilnocke in Richtung auf die geschlossene Stellung vorgespannt ist, so dass sich insbesondere 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 bzw. dort gehalten wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sicherheitsventil einen Ventilkolben aufweist, mit einem ersten Endabschnitt, der in einem Ventilzylinder der Vorrichtung gleitend angeordnet ist. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der Ventilzylinder durch den Druckkanal hindurch erstreckt und in eine
Ventilkammer mündet, über die die Verdichtungskammer in die Strömungsverbindung mit dem Druckkanal bringbar ist, wenn das Sicherheitsventil sich in seiner geöffneten Stellung (insbesondere während des Drucktakts) befindet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ventilnocke 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.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ventilkolben einen zweiten Endabschnitt aufweist, 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.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ventilkolben mittels des (insbesondere in der Ventilkammer angeordneten und insbesondere als eine erste Druckfeder ausgebildeten) ersten Vorspannmittels, das gegen den zweiten Endabschnitt des Ventilkolbens drückt, in Richtung auf eine zweite Position vorgespannt ist, 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 die 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. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung einen Saugkanal auf, wobei die Verdichtungskammer mit dem Saugkanal in
Strömungsverbindung bringbar ist, so dass über den Saugkanal Fluid in die
Verdichtungskammer einsaugbar 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 die Vorrichtung ist bevorzugt dazu ausgebildet, die Doppelmembran mittels eines Hydraulikfluids so zu verformen, 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 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 weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Hydraulikfluidkammer zur Aufnahme des Hydraulikfluids, einen Verdrängerkolben, einen Exzenter, sowie eine mit dem Exzenter verbundene Antriebswelle auf, die vorzugsweise dazu ausgebildet ist, den Exzenter durch Rotation der Antriebswelle in Rotation zu versetzen. Dabei ist der Verdrängerkolben vorzugsweise in der
Hydraulikfluidkammer gleitend angeordnet und dazu ausgebildet, das Hydraulikfluid zum Verformen der Doppelmembran gegen die Doppelmembran zu drücken. Der Exzenter ist dabei dazu ausgebildet, beim Rotieren gegen den Verdrängerkolben zu drücken, so dass der Verdrängerkolben das Hydraulikfluid gegen die Doppelmembran drückt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Hydraulikfluidkammer und der Verdrängerkolben eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweisen. Der betreffende Querschnitt erstreckt sich dabei jeweils senkrecht zur Bewegungsrichtung des Verdrängerkolbens.
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 sind die Ventilnocke und der Exzenter der Vorrichtung dazu ausgebildet, eine gemeinsame Rotation auszuführen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Ventilnocke eine kreisförmige Querschnittsfläche auf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ventilnocke als
Kurvenscheibe ausgeformt. Hierbei kann die Ventilnocke als Kurvenscheibe geschliffen sein. Die Kurvenscheibe kann insbesondere einen Umfang aufweisen, der von einerKreisform 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.
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.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebswelle dazu ausgebildet, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmoments
(vorzugsweise lösbar) gekoppelt zu werden. Besonders bevorzugt ist die Antriebswelle der Vorrichtung dazu ausgebildet, mit einer Bohrmaschine oder einem Akkuschrauber lösbar gekoppelt zu werden, so dass die Antriebswelle von der Bohrmaschine oder dem Akkuschrauber in Drehbewegung versetzbar ist. Hierzu kann die Antriebswelle eine entsprechende Aussparung aufweisen, in die jene Vorrichtung zur Erzeugung eines Drehmoments (z.B. Bohrmaschine oder Akkuschrauber) form- und/oder kraftschlüssig eingreifen 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 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 bei adiabater Verdichtung und Beförderung eine Austrittstemperatur am Druckkanal von 215°C auf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Wärmeüberträger bevorzugt so ausgelegt, 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 (viertes) Vorspannmittel zum Vorspannen des Kolbens gegen in der Hydraulikfluidkammer befindliches Hydraulikfluid auf. Dabei ist das vierte Vorspannmittel dazu ausgebildet, den Kolben derart gegen das Hydraulikfluid vorzuspannen, dass sich der Kolben bei einer Überschreitung eines durch die Vorspannung des Kolbens definierten
Maximaldrucks bewegt und dadurch den Druck des Hydraulikfluids begrenzt.
Bei einer Überschreitung des Maximaldrucks erhöht sich durch eine Bewegung des Kolbens in Strömungsverbindung mit der Hydraulikfluidkammer das Volumen entsprechend der Vorspannung des vierten Vorspannmittels (z.B. Feder) und der Druck wird somit begrenzt.
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 wobei das Verschlussmittel bevorzugt mittels eines Dichtmittels abgedichtet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das vierte Vorspannmittel sich an dem Verschlussmittel abstützt. Das vierte
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 vierten Vorspannmittels bewegt sich der Kolben in Richtung auf das Verschlussmittel, so dass der Druck im Hydraulikfluid begrenzt ist.
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 eine kreisförmige Querschnittsfläche auf. Der betreffende Querschnitt erstreckt sich dabei senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens. Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Querschnitts des Verdrängerkolbens und dem Durchmesser des Querschnitts des Kolbens des Druckbegrenzungsventils kleiner oder gleich 5 ist, insbesondere kleiner oder gleich 1 , insbesondere kleiner oder gleich 0,5.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das vierte Vorspannmittel als eine vierte Druckfeder ausgestaltet, wobei die vierte 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 vierten 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 (viertes 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 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 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 Sicherheitsventil; Fig. 2: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßes Druckgasflaschenventils; und
Fig. 3: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen 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.
Die Vorrichtung 1 zur Druckerhöhung bzw. Verdichtung weist erfindungsgemäß ein Sicherheitsventil 19 auf, 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 einer 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. Die Antriebswelle 1 1 dient zum Antreiben der Vorrichtung 1 , derart, dass diese das Fluid in der Verdichtungskammer 3 verdichten kann, was weiter unten im Detail beschrieben wird.
In der 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 (ersten) Vorspannmittels 29, bevorzugt in Form einer (ersten) Druckfeder 29, die in der Ventilkammer 33 angeordnet ist und gegen den zweiten Endabschnitt 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 einem Exzenter 10 ausgeformt sein, der zur Verdichtung des Fluids verwendet wird und ebenfalls so mit der Antriebswelle 1 1 verbunden ist, dass er zusammen mit der Antriebswelle 1 1 rotiert. 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 ersten Druckfeder 29, so dass die Strömungsverbindung zwischen der Verdichtungskammer 3 und dem Druckkanal 5 geöffnet ist.
Der Saugkanal 4 und der Druckkanal 5 münden jeweils in die Verdichtungskammer 3 ein. Dabei ist eine Strömungsverbindung zwischen dem Saugkanal 4 und der
Verdichtungskammer 3 des Weiteren 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. Währenddessen ist ein Druckventil 13, das insbesondere stromauf des Sicherheitsventils 19 vorgesehen ist, 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.
Zum Verdichten bzw. Einsaugen des Fluids weist die Vorrichtung 1 eine mit einem Hydraulikfluid bzw. einer Hydraulikflüssigkeit gefüllte Hydrauiikfluidkammer 8 auf, z.B. in Form einer zylindrischen Ausnehmung, die an die Verdichtungskammer 3 angrenzt. In der Hydrauiikfluidkammer 8 ist ein zylindrischer Verdrängerkolben 9 gleitend angeordnet, so dass der Verdrängerkolben 9 einen Querschnitt der
Hydrauiikfluidkammer 3, der quer zu einer Bewegungsrichtung des Verdrängerkolbens 9 verläuft, ausfüllt und in der Bewegungsrichtung in der Hydrauiikfluidkammer 8 hin und her bewegbar ist.
Die Hydrauiikfluidkammer 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
Hydrauiikfluidkammer 8 an, wobei zwischen der Verdichtungskammer 3 und der Hydrauiikfluidkammer 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 Hydrauiikfluidkammer 8 von der
Verdichtungskammer 3 ab und dichtet die Hydrauiikfluidkammer 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 durch nachströmendes Fluid aus dem Saugventil 12 in der Bewegungsrichtung von der Doppelmembran 6, 7 weg bewegt, demzufolge die Doppelmembran 6, 7 in Richtung auf die Hydraulikfluidkammer 8 bewegt wird, so dass die Verdichtungskammer 3 ihr Volumen erhöht. 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. Wie bereits angedeutet, ist gemäß Fig. 1 zum Antreiben der Vorrichtung 1 die
Antriebswelle 1 1 vorgesehen, 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 dem besagten 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. Akkuschrauber 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 Schmiermedium einzulagern und somit die Reibung jener Kontaktfläche zwischen dem Exzenter 10 und dem
Verdrängerkolben 9 zu reduzieren.
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 17 dient zum Kühlen des aus dem 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 (vierten) Vorspannmittel 35, bevorzugt in Form einer (vierten) Druckfeder 35, aufweisen.
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 8 gegen die Federkraft des (vierten) 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 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 2 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 2 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. Bezuqszeichenliste
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
Drittes Vorspannmittel 23
Gehäuse 24
Einlass 25
Flaschenventil 25a
Dichtmittel 26
Verschlussmittel 26a
Kopplungsmittel 27
Aussparung 28 erstes Vorspannmittel 29
Zweiter Endabschnitt 30
Ventilkoben 31
Zweiter Endabschnitt 32
Ventilzylinder 32a
Dichtung 32b
Konusförmiger Abschnitt 32c
Ventilkammer 33
Auslass 34
Viertes Vorspannmittel 35

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung (1 ) zur Druckerhöhung eines Fluids aufweisend eine
Verdichtungskammer (3) zur Verdichtung des Fluids, einen mit der
Verdichtungskammer (3) in eine Strömungsverbindung bringbaren Druckkanal (5) zur Ausgabe von verdichtetem Fluid, sowie eine Antriebswelle (1 1) zum Antreiben der Vorrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Sicherheitsventil (19) aufweist, das in eine geöffnete Stellung bringbar ist, in der die Strömungsverbindung offen ist und verdichtetes Fluid am Sicherheitsventil (19) vorbei aus der Verdichtungskammer (3) in den Druckkanal (5) gelangt, sowie in eine geschlossene Stellung, in der die
Strömungsverbindung durch das Sicherheitsventil (19) unterbrochen ist, so dass kein Fluid über das Sicherheitsventil (19) in den Druckkanal (5) gelangt, wobei die Vorrichtung (1 ) weiterhin eine mit der Antriebswelle (1 1) verbundene
Ventilnocke (20) aufweist, die dazu ausgebildet ist, beim Rotieren der
Antriebswelle (1 1 ) das Sicherheitsventil (19) in die geöffnete Stellung zu bewegen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsventil (19) durch ein erstes
Vorspannmittel (29) gegen die Ventilnocke (20) in Richtung auf die geschlossene Stellung vorgespannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsventil (29) einen Ventilkolben (31) aufweist, mit einem ersten
Endabschnitt (32), der in einem Ventilzylinder (32a) gleitend angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der
Ventilzylinder (32a) durch den Druckkanal (5) hindurch erstreckt und in eine Ventilkammer (33) mündet, über die die Verdichtungskammer (3) in die
Strömungsverbindung mit dem Druckkanal (5) bringbar ist, wenn das
Sicherheitsventil (19) sich in seiner geöffneten Stellung befindet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ventilnocke dazu ausgebildet ist, beim Rotieren der Antriebswelle (11) 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.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (31 ) einen zweiten Endabschnitt (30) aufweist, der in dieser ersten Position in die Ventilkammer (33) hineinragt, so dass verdichtetes Fluid am zweiten Endabschnitt (30) vorbei über den Ventilzylinder (32a) in den Druckkanal (5) gelangen kann. 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 6 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (31) mittels des ersten Vorspannmittels (29), das gegen den zweiten Endabschnitt (30) des Ventilkolbens (31) drückt, in Richtung auf eine zweite Position vorgespannt ist, die der geschlossenen Stellung des Sicherheitsventils (19) entspricht. 8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) weiterhin einen Saugkanal (4) 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 Vorrichtung (1 ) eine Doppelmembran (6,7), aufweisend eine erste Membran (6) und eine an der ersten
Membran (6) anliegende zweite Membran (7), aufweist, und wobei die
Doppelmembran (6,7) an die Verdichtungskammer (3) angrenzt, und wobei 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 über den Druckkanal (5) aus der Vorrichtung (1) ausgebbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Hydraulikfluidkammer (8) zur Aufnahme des Hydraulikfluids, einen
Verdrängerkolben (9), sowie einen Exzenter (10) aufweist, der mit der Antriebswelle (1 1) verbunden ist, wobei die Antriebswelle (11) dazu ausgebildet ist, den Exzenter (10) durch Rotation der Antriebswelle (1 1) in Rotation zu versetzen, und wobei der Verdrängerkolben (9) in der Hydraulikfluidkammer (8) angeordnet ist, und wobei der Exzenter (10) dazu ausgebildet ist, beim Rotieren gegen den Verdrängerkolben (9) zu drücken, so dass der Verdrängerkolben (9) das Hydraulikfluid zum Verformen der Doppelmembran (6,7) gegen die
Doppelmembran (6,7) drückt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ventilnocke (20) und der Exzenter (10) eine simultane Rotation ausführen. 1 1. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ventilnocke (20) eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist oder als eine Kurvenscheibe ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder einem der Ansprüche 10 bis 1 1 sofern
rückbezogen auf Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (10) eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist oder als eine Kurvenscheibe ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder einem der Ansprüche 10 bis 12 sofern
rückbezogen auf Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ventilnocke (20) mit dem Exzenter (10) verbunden ist, insbesondere integral mit dem Exzenter (10) ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder einem der Ansprüche 9 bis 13 sofern
rückbezogen auf Anspruch 8, 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.
15. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9 oder einem der Ansprüche 10 bis 14 soweit
rückbezogen auf Anspruch 9, 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 viertes 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 bewegt, um den besagten Druck zu begrenzen.
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