DE102021002178A1

DE102021002178A1 - Fördereinrichtung

Info

Publication number: DE102021002178A1
Application number: DE102021002178.9A
Authority: DE
Inventors: Frank Bauer; Wolfgang Hahmann; Peter Kloft
Original assignee: Hydac Technology GmbH
Current assignee: Hydac Technology GmbH
Priority date: 2021-04-24
Filing date: 2021-04-24
Publication date: 2022-10-27
Also published as: EP4285026A1; EP4285026B1; WO2022223404A1; US20240200542A1; EP4285026C0; CN221742825U; JP2024516189A

Abstract

Fördereinrichtung für Fluide mit einem Ein (12)- und einem Auslass (14) und einem dazwischen geschalteten Förderteil (10), das von einem Antriebsteil betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderteil (10) eine fluiddichte Medientrenneinrichtung (16) mit veränderlichem Kammervolumen aufweist, die mit ihrem Aufnahmeraum (21) eine fluidführende Verbindung mit dem Ein (12)- bzw. Auslass (14) eingeht und die mittels des Antriebsteils unter Vergrößerung des Kammervolumens Fluid über den Einlass (12) im Rahmen eines Ansaughubes aufnimmt und unter Verringerung dieses Kammervolumens das aufgenommene Fluid im Rahmen eines Abgabehubs über den Auslass (14) abgibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fördereinrichtung für Fluide mit einem Ein- und einem Auslass und einem dazwischen geschalteten Förderteil, das von einem Antriebsteil betätigbar ist.
Durch WO 2013/079222 A2 ist eine Fördereinrichtung zur Verbesserung der Energieeffizienz bei Hydrauliksystemen bekannt, mit einem Aktuator, der in einem Betriebszustand als Verbraucher hydraulischer Energie und in einem anderen Betriebszustand als Erzeuger hydraulischer Energie arbeitet, und mit einem Hydrospeicher, der beim einen Betriebszustand des Aktuators von diesem zur Energiespeicherung aufladbar und beim anderen Betriebszustand für eine Energieabgabe an den Aktuator entladbar ist. Als Hydrospeicher dient ein unstetig, verstellbarer hydropneumatischer Kolbenspeicher, in dem mehrere Druckräume gebildet sind, die an unterschiedlich große Wirkflächen an der Fluidseite des Speicherkolbens angrenzen. Ferner ist eine Stellanordnung vorgesehen, die in Abhängigkeit von den jeweiligen auf der Gasseite des Kolbenspeichers und am Aktuator herrschenden Druckniveaus einen ausgewählten Druckraum oder mehrere ausgewählte Druckräume des Kolbenspeichers mit dem Aktuator verbindet.
Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, Energie unabhängig vom Vorfülldruck auf der Gasseite des Speichers und unabhängig vom jeweiligen Lastdruck zu recyceln, weil durch Auswählen einer Wirkfläche passender Größe das jeweilige gewünschte Druckniveau am Speicher für Ladung oder Entladung genutzt werden kann. Dadurch ist bei sämtlichen Betriebszuständen eine optimale Energieumsetzung möglich. Die bekannte Mehrkolbenanordnung für den Kolbenspeicher benötigt zur Abdichtung der einzelnen Kolbenräume gegeneinander Dichtungen, wie metallische Kolbenringe oder gummielastische Kunststoff-Dichtungen. Wegen der im Betrieb auftretenden hohen Kräfte und Drücke ist auch meist zusätzlich der Einsatz von Schmierstoffen notwendig, um die auftretenden Reibkräfte möglichst gering zu halten, um so den Verschleiß zu mindern und um eine möglichst leckagefreie Abdichtung zu erzeugen. Trotzdem lassen sich Leckagen nicht vermeiden und durch die Reibung tritt sowohl ein Verschleiß bei den einzelnen Kolben sowie dem zugehörigen Dichtungsmaterial auf. Diese zwar meist kleinen Verschleißpartikel führen dennoch zu einer Verschmutzung der zu fördernden Gase oder Flüssigkeiten, die auch teilweise hochrein sein können, was sich dann wiederum nur durch sehr aufwendige Filtermaßnahmen im Fluidstrom beseitigen lässt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannte Lösung dahingehend zu verbessern, dass eine leckagefreie Fördereinrichtung geschaffen ist mit der ein Eintrag von Verschmutzungen in das zu fördernde respektive zu verdichtende Fluid vermieden ist.
Eine dahingehende Aufgabe löst eine Fördereinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 das Förderteil eine fluiddichte Medientrenneinrichtung mit veränderlichem Kammervolumen aufweist, die mit ihrem Aufnahmeraum eine fluidführende Verbindung mit dem Ein- bzw. Auslass eingeht und die mittels des Antriebsteils unter Vergrößerung des Kammervolumens Fluid über den Einlass im Rahmen eines Ansaughubes aufnimmt und unter Verringerung dieses Kammervolumens das aufgenommene Fluid im Rahmen eines Abgabehubs über den Auslass abgibt, ist sichergestellt, dass keine Leckagen beim Förderteil auftreten und auch kein Verschmutzungseintrag in das zu fördernde respektive zu verdichtende Fluid erfolgt. Die fluiddichte Medientrenneinrichtung sorgt dafür, dass kein Medium von der Antriebsseite her auf die Förderseite für das Fluid gelangen kann und insoweit ist auch jedweder Verschmutzungseintrag auf die Transport-Fluidseite vermieden. Mit der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung lassen sich inkompressible Fluide, wie jedwede Art von Flüssigkeiten transportieren; aber auch kompressible Medien, beispielsweise in Form hochreiner Gase, wie Wasserstoff, die dabei verdichtet werden. Eine Förderung respektive Verdichtung von Fluiden zusammengesetzt aus kompressiblen und inkompressiblen Anteilen ist gleichfalls möglich. Insoweit ist ein ungewollter Eintrag eines Arbeitsgases auf die Flüssigkeitsseite gleichermaßen vermieden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung ist vorgesehen, dass die Medientrenneinrichtung aus einem Balg gebildet ist, der mittels des Antriebsteils fluidisch von außen derart angesteuert ist, dass bei einem Ansaughub das innere Kammervolumen des Balges sich vergrößert und bei einem Abgabehub sich verringert. Der als Medientrenneinrichtung eingesetzte Balg, regelmäßig in Form eines üblichen Faltenbalges, wird in der Praxis als absolut mediendicht angesehen, d.h. weder von innen nach außen noch umgekehrt kann ein Medium durch die Balgwand gelangen und bei entsprechender Ausgestaltung in Edelstahlist die Medientrenneinrichtung auch als versprödungsresistent gegenüber Wasserstoffanwendungen anzusehen. Aufgrund der Faltenausgestaltung des Balges hat dieser gegenüber sonstigen Hydrospeichern, wie beispielsweise Blasenspeichern, volumetrisch gesehen nur ein relativ kleines Speicher- und Austragvolumen; allein gegenüber der elastomeren Speicherblase lässt sich mit hohen Zykluszeiten ein Förderbetrieb erreichen, wobei in zusammengezogenem Zustand des Balges die einzelnen Balgfalten zueinander auf Block gehen, was die Balganordnung insgesamt stabilisiert und Fehlfunktionen vermeiden hilft.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung ist vorgesehen, dass das Antriebsteil einen hydraulischen Arbeitszylinder aufweist, der mittels eines hydraulischen Antriebes und einem Hauptventil ansteuerbar ist. Dergestalt lässt sich unter Einsatz üblicher Hydraulikkomponenten für das Antriebsteil die Ansteuerung des Förderteils, das auch als Verdichterteil wirken kann, ansteuern. Die genannten Komponenten des Antriebsteils lassen sich standardisieren und dadurch in einfacher Weise an die gewünschte Förder- und Verdichtungsleistung für das Förderteil respektive Verdichterteil anpassen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung ist vorgesehen, dass der hydraulische Arbeitszylinder mit seiner Kolben-Stangen-Einheit mit einer Dosierkammer vorgebbaren Dosiervolumens den Ansaug- und Abgabehub für das Förderteil, vorzugsweise kolbenseitig vorgibt und dass vorzugsweise stangenseitig die Betätigung des Arbeitszylinders über das Hauptventil erfolgt. Das angesprochene Dosiervolumen ist nahezu inkompressibel, so dass sich eine Bewegung des hydraulischen Arbeitszylinders als sogenannter Pumpzylinder verlustfrei und verzögerungsfrei auf die Medientrenneinrichtung übertragen lässt. Insbesondere für kleinere Volumenströme und niedrigere Drücke kann die Funktion von Kolbenseite zu Stangenseite auch getauscht werden. Dergestalt ist eine Druckübersetzung in beide Richtungen möglich.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung ist vorgesehen, dass für den Erhalt eines vergleichmäßigten Fördervolumenstroms ein weiteres Förderteil vorgesehen ist, das einen Abgabehub vornimmt, während das andere Förderteil einen Ansaughub und umgekehrt durchführt. Dergestalt lässt sich quasi-kontinuierlich die Fördereinrichtung betreiben, in dem eben immer ein Förderteil die Abgabe von Fluid unter Druck gewährleistet, während das weitere Förderteil für den nachfolgenden Abgabehub im Ansaughub mit Fluid beladen wird. Dabei ist es von Vorteil, dass das weitere Förderteil gleichfalls an den Arbeitszylinder angeschlossen ist, der unter Bildung einer weiteren Dosierkammer vorgebbaren Dosiervolumens einen zweiten Kolben aufweist, der mit dem ersten Kolben für die eine Dosierkammer mit der Kolbenstange verbunden ist. Dergestalt lässt sich in zeitlich synchroner Abfolge mit nur einem Arbeitszylinder respektive Pumpzylinder die Fördereinrichtung mit zwei Förderteilen betreiben.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung ist vorgesehen, dass für die Förderung von Gasen das jeweilige Förderteil als Verdichterteil fungiert, dass zwei Verdichterteile einen einstufigen Verdichter ausbilden, und dass das Zusammenschalten mehrerer einstufiger Verdichter einen mehrstufigen Verdichter ergibt. Dergestalt lässt sich dann ein auf Seiten des Gaseintrittes bestehender Niederdruck mittels der ersten Verdichterstufe auf einen demgegenüber höheren Mitteldruck bringen, der wiederum mittels der zweiten Verdichterstufe auf der Gasaustrittsseite in Hochdruck umgewandelt wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung ist vorgesehen, dass insbesondere zum Ausgleich von Leckagen am Arbeitszylinder mindestens eine Dosiereinheit vorhanden ist, die geringe Mengen an Dosiervolumen in die jeweilige Dosierkammer einbringt oder aus dieser abführt. Mittels der Dosiereinheit lassen sich bevorzugt kleine Volumina in das Dosiervolumen des Arbeits- oder Pumpzylinders hineingeben oder aus diesem Dosiervolumen bedarfsweise abziehen. Hierfür ist bevorzugt die jeweilige Dosiereinheit an eine Zu- und Abdosiereinheit mittels Dosierventilen angeschlossen und die jeweilige Dosiereinheit kann durch eine sekundäre Druckabsicherung geschützt sein. Mittels den Dosierventilen lassen sich sehr genau Dosiervorgänge mittels der Dosiereinheit vornehmen und zum Schutz vor Überlastungen dient die angesprochene Sekundärdruckabsicherung, die bevorzugt aus einem Druckbegrenzungsventil bestehen kann.
Ferner kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Positionen des Arbeitszylinders über einen Endlagenüberwachung erfassbar sind. Dergestalt ist eine Funktionsüberwachung für den Arbeits- oder Pumpzylinder möglich, wobei anstelle einer Endlagenüberwachung auch eine andere Form einer Zylinderüberwachung treten kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung ist vorgesehen, dass mittels Hydrospeichern, insbesondere in Form von Mittel- und Hochdruckgasspeichern, eine Vergleichmäßigung des Förderstroms stattfindet. So kann dem Grunde nach auch mit nur einem Förderteil mit intermittierendem Förderhub ein vergleichmäßigter Fördervolumenstrom auch im Rahmen einer Gasförderung erreicht werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung ist vorgesehen, dass mindestens eine Kühleinrichtung zwischen einzelnen Verdichtungsstufen eingesetzt ist. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei Einsatz einer mehrstufigen Verdichtung bei der Förderung und Verdichtung von Gasen, wie Wasserstoff, die Temperatur deutlich ansteigen kann, was zu einer ungewollten Expansion des Gases führt, was wiederum zu einer Erhöhung der insoweit benötigten Antriebsleistung der einzelnen Förder- oder Verdichterteile führen würde, was sich durch die angesprochene Zwischenkühlung zwischen den Verdichterstufen vermeiden lässt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung ist vorgesehen, dass mittels Verschmutzungssensoren der Fluidstrom, insbesondere Gasstrom, auf der Abgabeseite eines jeden Verdichterteils überwacht ist. Bei Feststellung einer, wenn auch unwahrscheinlichen Verschmutzung, soll der betreffende Anlagenteil der Fördereinrichtung umgehend still gesetzt werden, um etwaig verschmutzte oder unbrauchbar gewordene Teile im Rahmen der Wartung auswechseln zu können. Insbesondere bei dem Fördern oder dem Transportieren von hochreinen Gasen, wie Wasserstoff, darf im Rahmen der jeweils angestrebten Verwendung, beispielsweise im Rahmen eines Brennstoffzellenbetriebes, keinerlei partikuläre Verschmutzung sich im Gasstrom befinden.
Die erfindungsgemäße Verdichterlösung erleichtert durch ihre modulare Bauweise nicht nur eine Anpassung an verlangte Verdichter-Massenströme durch entsprechende Skalierung der Medientrenneinrichtungen nach Größe und Anzahl, sondern erlaubt auch eine einfache Anpassung der Verdichtungsverhältnisse selbst. Zudem wird im Bereich der Steuerung der zugehörige hydraulische Steuerkreislauf mit seinen Komponenten für eine Vielzahl von Förder- und Verdichterteilen nur einfach und nicht mehrfach ausgeführt. Demgemäß sieht eine bevorzugte Verwendung der Fördereinrichtung eine stufenweise Verdichtung von Wasserstoffgas vor unter Einsatz einzelner, baugleicher Verdichterteile. Dies hat so keine Entsprechung im Stand der Technik.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Fördereinrichtung anhand von Ausführungsbeispielen nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die

1 Bestandteile eines Förderteils der Fördereinrichtung;
2 eine Fördereinrichtung mit zwei Förderteilen, die von einem gemeinsamen Antriebsteil angesteuert sind;
3 die Lösung nach der 2 in Realisierung mit Fluidkomponenten;
4 eine Hintereinanderabfolge von zwei Fördereinrichtungen nach der 2 unter Bildung einer Gesamtfördereinrichtung;
5 die mit einzelnen Komponenten realisierte Fördereinrichtung gemäß der prinzipiellen Darstellung nach der 4; sowie
6 und 7 zwei verschiedene Arten von Verschmutzungssensoren.

Das in 1 als Ganzes mit 10 bezeichnete Förderteil ist fluidführend an einen Einlass 12 und einen Auslass 14 angeschlossen. Ferner weist das Förderteil 10 eine Medientrenneinrichtung 16 in Form eines Balges, insbesondere in Form eines Faltenbalges, auf. Die Medientrenneinrichtung 16 in Form eines vorzugsweise aus Metall bestehenden Balges trennt die Flüssigkeit eines Dosiervolumens auf der Außenseite des Balges von dem zu fördernden oder zu verdichtenden Fluid im Inneren des Balges in hermetisch dichter Weise ab. Sofern das Förderteil 10 zum Fördern von Gasen, wie Wasserstoffgas dient, fungiert das Förderteil 10 gleichermaßen als Verdichterteil 10. Der Faltenbalg selbst besteht aus einem sehr dünnen Metallblech und ist derart hochelastisch ausgebildet, dass sich der von außen aufgebrachte Druck und der im Inneren des Balges herrschende Druck um weniger als 0,1 bar bei einer Ausführungsform unterscheiden. Das bedeutet, dass ein von außen fluidisch aufgebrachter Druck, und dass kann durchaus ein Druck in der Größenordnung von fast 1000 bar sein, sich nahezu verlustfrei auf das Fluid im Balginneren überträgt.
Das Hubvolumen der Medientrenneinrichtung 16 respektive des Balges ist derart ausgelegt, dass es größer ist als die durch eine maximale Pumpzylinderbewegung eines Antriebsteils 18 (2) erzeugbare Verschiebung des Dosiervolumens nebst einem definierten Spielraum an den Endlagen, damit es nicht zu zwanghaften Überdehnungen des Balges kommen kann, als Folge einer sich einstellenden Druckdifferenz über dem Balg. Zur Überwachung dieses Zustandes ist am Antriebsteil 18 eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, worauf noch näher eingegangen wird sowie zwei gegenüberliegend angeordnete Endlagenüberwachungen 20 für die Medientrenneinrichtung 16, die insoweit etwaige Abweichungen feststellen können. Solche Abweichungen können dadurch entstehen, dass am Antriebsteil 18 Leckagen auftreten können, die eine Zunahme oder Abnahme des Dosiervolumens am Förderteil 10 erzeugen würden. Damit würde sich auch zwangsläufig eine Verschiebung der Balgposition ergeben, die wiederum zu Folgeschäden am Balg führen könnte, wenn dessen zulässige Dehnung überschritten wird.
Die in 1 gezeigte Medientrenneinrichtung 16 übernimmt im Wesentlichen zwei Funktionen:

Zum einen die Trennung der beiden Fluide des Systems voneinander, nämlich die im Dosiervolumen verwendete Druckflüssigkeit von dem zu fördernden und gegebenenfalls zu verdichtenden, hochreinen Gas und zum anderen die eigentliche Förder- und Verdichterfunktion.

Für das Separieren der Fluidsysteme erlaubt die Medientrenneinrichtung 16, in Form des Faltenbalges, eine hermetische Trennung und für die Förder- und Verdichterfunktion besitzt der Balg eine hochflexible Verformbarkeit mit großem Hubvolumen. Außerdem entstehen bei einem Verdichtungsvorgang im Gasraum, also im Innen- oder Aufnahmeraum 21 des Balges, je nach angestrebtem Verdichtungsverhältnis, sehr hohe Gastemperaturen, die er schadlos auszuhalten hat. Mit einem entsprechend ausgelegten Metallbalg sind die dahingehenden Anforderungen erfüllbar.
Für die Förder- und Verdichterfunktion ist die Medientrenneinrichtung 16 mit Ventilen ausgestattet in Form von zwei gegenläufig wirkenden Rückschlagventilen 22 als sogenannte Verdichterventile. Damit die Medientrenneinrichtung 16 in Form des Balges im Servicefall leicht und ohne größere Gasverluste ausgebaut werden kann, besitzt sie auf Seiten des Einlasses 12 im zugehörigen Fluidkanal ein schaltbares Wegeventil 24, das im gesperrten Zustand gemäß der Darstellung nach der 1 den Fluidzutritt über den Einlass 12 in das Innere des Balges sperrt. Da der Servicefall möglichst einfach und schnell durchgeführt werden soll, ist zu diesem Zwecke eine definierte Trennfuge 26 vorgesehen, die als normierbare Schnittstelle einen Schnellwechsel für die jeweilige Medientrenneinrichtung 16 erlaubt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann eine solche Trennstelle 27 auch direkt oberhalb des Faltenbalges verlaufen. Ebenso ist eine Ablassvorrichtung 28 installiert, damit Fluide, wie beispielsweise Restgase im Förderteil 10 sicher abgelassen werden können, vor einer etwaigen Demontage der Medientrenneinrichtung 16. Jedem der beiden Rückschlagventile 22 ist als Einlass 12 und als Auslass 14 eine eigenständige Fluidleitung zugeordnet, die zu der Medientrenneinrichtung 16 führt. Es besteht aber auch die Möglichkeit (nicht dargestellt) nur eine einzelne Leitung vorzusehen, die zu der Medientrenneinrichtung 16 führt und die sich am gegenüberliegenden Ende T-förmig verzweigt, wobei ein Leitungsast der Verzweigung den Einlass 12 und der andere Leitungsast den Auslass 14 bildet. Vergleichbar den Rückschlagventilen 22 dient jeweils ein Rückschlagventil in einem zugeordnetem Leitungsast, der ungestörten Zu- und Abfuhr von Fluid und verhindert ein ungewolltes Rückströmen in Richtung der Fluidquelle beim Förderhub mit der Medientrenneinrichtung 16.
Die einwandfreie Funktion der Medientrenneinrichtung 16 wird ständig überwacht, insbesondere durch die beiden Signalgeber 20 der Endlagenüberwachung, die das Erreichen der zugehörigen Endlagen beim Hub des Metallbalgs signalisieren. Nimmt der Metallbalg seine maximal ausgezogene Stellung ein bei maximalem Kammervolumen betätigt er, in Blickrichtung auf die 1 gesehen, die untere Endlagenüberwachung 20 und bei einem maximalen Förderhub und demgemäß minimalem Kammervolumen wird die obere Endlagenüberwachung 20 angesteuert.
Ferner ist auf der Auslassseite des Förderteiles 10 ein Verschmutzungssensor 30 untergebracht, wie er beispielhaft in den 6 und 7 wiedergegeben ist und der die Dichtheit des Metallbalgs überwacht.
Das obere Ende des Balges ist mit einer Trennplatte 32 verbunden, die ein Gehäuse 34 des Förderteils 10 in zwei voneinander separierte Räume unterteilt, wobei in dem oberen Raum der Verschmutzungssensor 32 angeordnet ist sowie eine Abgriffsstelle für die Ablassvorrichtung 28 auf der Einlassseite des Förderteils. Der zweite untere Raum nimmt den Balg auf, der auf seiner Unterseite mit einer Balgplatte 36 hermetisch verschlossen ist und zwischen der Außenseite des Balges und der Innenseite des dahingehenden Gehäuseteils ist ein Zwischen- oder Fluidraum 38 gebildet, der über eine fluidführende Verbindung 40 mit dem Antriebsteil 18 in Verbindung steht und den Anschluss ausbildet für das antreibende Dosiervolumen des Antriebsteils 18 zur Betätigung des Förder- oder Verdichterteils 10.
Die möglichen Fluidströmungsrichtungen sind in der 1 mit Pfeildarstellungen wiedergegeben. Wird also mittels des Antriebsteils 18 der Balg ausgezogen und ist das Wegeventil 24 in seine fluiddurchlässige Stellung geschaltet, strömt über den Einlass 12 und das in Blickrichtung auf die 1 gesehen rechte Verdichterventil 22 zu förderndes Fluid in den Aufnahmeraum 21 des Balges. Insoweit ist ein Ansaughub über die Medientrenneinrichtung 16 erreicht. Wiederum durch entsprechende Ansteuerung des Antriebsteils 18 bewegt sich die Balgplatte 36 nach oben und das Balgvolumen verringert sich, so dass das im Ansaughub im Balg bevorratete Fluid über den Verschmutzungssensor 30 und bei zwangsläufigem Öffnen des linken Verdichterventiles 22 zum Auslass 14 des Förder- oder Verdichterteils 10 gelangt. Bei dem dahingehenden Abgabehub über den Auslass 14 ist das rechte Rückschlag- oder Verdichterventil 22 geschlossen, so dass nicht ungewollt beim Abgabehub Fluid wiederum zum Einlass 12 rückströmen kann. Das Durchführen dahingehender Ansaug- und Abgabehübe lässt sich in zeitlich rascher Abfolge mittels des Antriebsteils 18 erreichen, was im Folgenden noch näher erläutert werden wird.
Es ist selbstredend, dass bei einem Betrieb des Förder- oder Verdichterteils 10 nach der 1 eine Förderpause entsteht, die zwangsläufig gebildet ist durch den Ansaughub mittels des Faltenbalges über den Einlass 12. Insoweit erlaubt also das Förderteil 10 respektive Verdichterteil nur einen intermittierenden Förderbetrieb. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den 2 und 3 werden hingegen zwei Förderteile 10 parallelgeschaltet, die abwechselnd von einem gemeinsamen Antriebsteil 18 angesteuert werden. Wie in 2 dargestellt, wird über eine gemeinsame Zufuhrleitung 42 Fluid sowohl auf den einen als auch auf den anderen Einlass 12 eines Förderteils 10 zugeführt. Der Auslass 14 eines jeden Förderteils 10 ist wiederum an eine gemeinsame Abfuhrleitung 44 angeschlossen. Dergestalt lässt sich ein quasi-kontinuierlicher Förderbetrieb für das zu fördernde oder transportierende Medium erreichen, indem eben immer ein Förderteil 10 Fluid in die Abfuhrleitung 44 fördert, wohingegen das andere Förderteil 10 mittels eines Ansaughubes Fluid aus der Zufuhrleitung 42 entnimmt. Wird beispielsweise über die Zufuhrleitung 42 Gas mit niederem Druck zugeführt, wird mittels der beiden Förder- oder Verdichterteile 10 in der Abfuhrleitung 44 ein Gasaustritt unter Hochdruck erreicht. Hierbei lassen sich hohe Verdichtungsverhältnisse von beispielsweise etwa 1:10 erreichen.
Das Antriebsteil 18 weist einen hydraulischen Arbeits- oder Pumpzylinder 46 auf, der mittels eines hydraulischen Antriebes 48 und einem Hauptventil 50 ansteuerbar ist. Ferner offenbart 4 eine Dosiereinheit 52, die in die Verbindungsleitungen zwischen dem Pumpzylinder 46 und den Dosiervolumen 54 bzw. 56 ein kleines Korrekturvolumen einsparen oder diesen Verbindungsleitungen entnehmen kann. In der 3 ist das Antriebsteil 18 mit seinen einzelnen Komponenten näher dargestellt. Insbesondere weist das Antriebsteil 18 den hydraulisch antreibbaren Arbeits- oder Pumpzylinder 46 auf, der vom Volumenstrom einer antreibbaren Hydropumpe 58 als der Hauptpumpe angetrieben wird, wobei in Abhängigkeit der Schaltstellung des Hauptventils 50 die Kolben-Stangen-Einheit 60 des Zylinders 46 gemäß dem Doppelpfeil sich hin- und herbewegt. Die Hauptpumpe 58 ist mittels eines Motors M drehzahlvariabel angetrieben und kann dadurch an die gewünschte Förder- und Verdichtungsleistung angepasst werden. Der Zylinder 46 bringt die erforderliche Leistung auf zur Verdichtung und Weiterförderung des Fluids respektive des Gases, indem er das konstante Dosiervolumen 54, 56 das sich zwischen Zylinder 46 und der jeweiligen Medientrenneinrichtung 16 eines Förderteils 10 befindet, hin- und herschiebt. Neben der Hauptpumpe 58 gibt es noch eine Steuerpumpe 62, die verschiedene Hilfsfunktionen mit hydraulischer Energie versorgen kann und zwar gemäß 3 die Dosiereinheit 52 als Ganzes sowie die Vorsteuerung des Hauptventils 50 in Form eines elektromagnetisch betätigbaren 4/3-Wegeventi les.
Bei kleineren Förder- und Verdichterteilen 10 kann das Hauptventil 50 auch einstufig ausgebildet sein, weil kleinere Volumenströme, beispielsweise < 100 l/min, dann nur benötigt werden. Bei mehrstufigen Verdichtern gemäß den 4 und 5, welche dann pro Verdichterstufe eine Hauptpumpe 58 besitzen, ist aber immer nur eine Stufe mit einer zusätzlichen Steuerpumpe 62 ausgerüstet (5), die dann auch die anderen Stufen mitversorgt. Das Antriebsteil 18 könnte alternativ auch eine Kolbenmaschine aufweisen, beispielsweise in Form einer rotatorisch über eine Kurbelwelle angetriebenen Reihenkolbenpumpe (nicht dargestellt).
Zwischen dem Arbeits- oder Pumpzylinder 46 und der jeweiligen Medientrenneinrichtung 16, die über den jeweiligen Anschluss 40 miteinander verbunden sind, befindet sich ein Flüssigkeitsvolumen, das als Dosiervolumen 54, 56 bezeichnet ist und das zwischen dem Zylinder 46 und der jeweiligen Medientrenneinrichtung 16 hin- und hergeschoben wird. Dieses Dosiervolumen 54, 56 ist nahezu inkompressibel, so dass sich eine Bewegung des Zylinders 46 verlustfrei und verzögerungsfrei auf die jeweilige Medientrenneinrichtung 16 überträgt. Dabei ist das jeweilige Dosiervolumen 54, 56 von einer Kolbenfläche der Kolben-Stangen-Einheit 60 begrenzt, wobei die Stangenseite mit Fluidleitungen an den Ausgang des Hauptventils 50 angeschlossen ist. Insoweit unterteilt die Stange der Kolben-Stangen-Einheit 60 den Zylinder 46 in zwei stangenseitige Fluidräume 64 und 66.
Zum Ausgleich von Leckagen am Arbeits- oder Pumpzylinder 46 dient die Dosiereinheit 52, die kleine Volumina in das jeweilige Dosiervolumen 54, 56 hineingeben oder aus diesem Dosiervolumen abziehen kann. Die Dosiereinheit 52 besteht insoweit aus zwei kleinen, in sich geschlossenen Hubkolben, die zur Bewegung von einer Endlage in die andere ein kleines definiertes Hubvolumen (vorzugsweise von < 10 cm³) aufnehmen und auf der anderen Seite abgeben können, was durch Schalten von zugehörigen Wegeventilen 68, 70 für das Zudosieren oder das Abdosieren ausgelöst wird. Die Zudosiereinheit mit Hubkolben nebst zugehörigem Wegeventil ist in 3 mit 72 bezeichnete und die entsprechende Abdosiereinheit mit 74. Das Dosiervolumen 54 oder 56, das entsprechend vergrößert oder verkleinert werden soll, wird mithin von dem zugehörigen Dosierventil 68 oder 70 angesteuert. Nach Abschluss eines benötigten Dosiervorganges kann das jeweilige Dosierventil 68, 70 wieder abgeschaltet werden. Zum Schutz vor Überlastung sind die Dosiervolumina 54, 56 zusätzlich durch eine Sekundärdruckabsicherung 76 geschützt, die aus einem Druckbegrenzungsventil besteht, das über Rückschlagventile 78 mit beiden Dosiervolumina 54, 56 verbunden ist. Zur Überwachung des Zylinders 46 dient wiederum eine Endlagen-Überwachung 80 oder eine Hubmess-Einrichtung (nicht dargestellt) der Kolben-Stangen-Einheit 60, die mit der Endlagenüberwachung 20 der Medientrenneinrichtung 16 im Rahmen einer Gesamtsteuerung zusammenwirkt.
Wie die 3 des Weiteren zeigt, ist die Speisepumpe 62 ebenso wie die Hauptpumpe 58 mit einer Primärdruckabsicherung 82 versehen, wobei auf der Fluidzugangsseite für die Hauptpumpe 58 sowie die Steuerpumpe 62 noch ein Tankspeicher 84 in Form eines üblichen Hydrospeichers angeschlossen ist. Des Weiteren ist auf Seiten des Zulaufes für die einzelnen Pumpen 58, 62 ein Filter 86 sowie ein Kühler 88 vorhanden. Zur Vergleichmäßigung des Förderstroms ist an die Abfuhrleitung 44 ein Hydrospeicher 90 angeschlossen.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung nach der 3 besteht die Fördereinrichtung im Wesentlichen aus dem Antriebsteil 18 und dem Förder- oder Verdichterteil 10, wobei das Fluid auf der Verdichterseite regelmäßig in Form eines zu verdichtenden Gases, von dem Fluid auf der Antriebsseite, dem Dosiervolumen regelmäßig in Form eines Hydraulikmediums, durch die jeweilige Medientrenneinrichtung 16 in Form des Balges voneinander getrennt sind. Der modulare Aufbau für den Verdichter, ermöglicht auf einfache Weise eine Skalierung zur größeren, einstufigen Verdichtereinheiten gemäß der Darstellung nach den 2, 3 und zu mehrstufigen Einheiten gemäß den Darstellungen nach den 4 und 5.
Bei dem mehrstufigen, insbesondere zweistufigen Verdichteraufbau nach der 4, wird die Fördereinrichtung nach der 2 fluidtechnisch zweifach hintereinandergeschaltet, wobei eine Kühleinrichtung 92 insbesondere in Form einer Wärmetauscherinrichtung zwischen die beiden Verdichterstufen eingebracht ist. Das über die Zufuhrleitung 42 zugeführte Gas ist im Niederdruckbereich und wird mittels des ersten Verdichters vor dem Zwischenkühler 92 als der Kühleinrichtung auf einen Mitteldruck angehoben. Dabei fungiert der Arbeitszylinder 46 der ersten Verdichterstufe als Pumpzylinder respektive Erzeuger für den dahingehenden Mitteldruck. Nach Durchlaufen des Zwischenkühlers 92 gelangt das Gas über eine Mitteldruckleitung 94 wiederum auf die Eingangs- oder Einlassseite der zweiten Verdichterstufe mit den beiden Förder- oder Verdichterteilen 10. So wird ausgangsseitig der zweiten Verdichterstufe der Gasabgabedruck in einer Hochdruckleitung 96 auf Hochdruck angehoben. Dergestalt lässt sich mittels des zweistufigen Verdichters nach der 4 ein Gasniederdruck von 50 bar beispielhaft auf einen Mitteldruck von etwa 160 bar und hochdruckseitig auf einen Abgabedruck von 500 bar anheben. Dergestalt ist bei zweistufiger Verdichtung mit Verdichtungsverhältnissen von 1:3,16 in beiden Verdichterstufen zu rechnen. Sofern man die zweistufige Verdichterlösung nach der 4 im Sinne einer 3-Stufenverdichtung durch Hinzufügen einer weiteren einstufigen Verdichtung nach 3 mit einem Verdichtungsverhältnis kleiner 1:3 je Stufe erweitert, lassen sich hier Drücke, insbesondere für Wasserstoff im Bereich von 1000 bar, erreichen. Auch beginnend mit sehr niedrigen Drücken von 15 bar lassen sich mit 3-stufiger Verdichtung Ausgangsdrücke dann von 500 bis 600 bar erreichen.
Die prinzipielle Ausgestaltung eines zweistufigen Verdichters nach der 4 ist in Komponentenbauweise in der 5 wiedergegeben, wobei die bisher zu den einzelnen Baukomponenten getroffenen Ausführungen auch für den Mehrstufenverdichter nach der 5 gilt. Diese Lösung unterscheidet sich von der vorangegangenen Lösung nach der 3 dadurch, dass der an die Mitteldruckleitung 94 angeschlossene Hydrospeicher 90 einen Mitteldruck-Gasspeicher ausbildet und der Speicher 90, der an die Hochdruckleitung 96 abgeschlossen ist, bildet insoweit den Hochdruck-Gasspeicher für die Gesamtvorrichtung aus. Sowohl Mitteldruck- als auch Hochdruck-Gasspeicher dienen der Vergleichsmäßigung des Förderstroms. Sofern in der 5 für die einzelnen Förder- und Verdichterteile 10 elektrische Leitungen eingezeichnet sind, betreffen diese den Sensorabgriff für die Endlagenüberwachung 20 sowie eine elektronische Auswertung des Verschmutzungssensors 30.
Ausführungsformen eines solchen Verschmutzungssensors 30 sind in den 6 und 7 näher dargestellt. Wie bereits ausgeführt, könnten Undichtigkeiten an den Trennstellen zwischen Dosiervolumen 54, 56 und dem jeweiligen zu fördernden Gasvolumen hohe Folgekosten verursachen. Demgemäß ist unmittelbar nach dem Metallbalg in der Leitung der abfließenden Gasströme auf Seiten des Auslasses 14 ein Verschmutzungssensor 30 angeordnet, der die Reinheit des Gases überwacht.
Derartige Verschmutzungssensoren 30 können nach verschiedenen Prinzipien aufgebaut sein, wobei im vorliegenden Fall mindestens zwei Funktionen erfüllt sein sollen:

1. Feststellen einer Verschmutzung gleich zu Beginn bei Einsetzen einer Schmutzentwicklung,
2. Auffangen einer Anfangsverschmutzung durch einen Filter.

Bei Feststellen einer Verschmutzung soll der zugehörige Anlagenteil umgehend stillgesetzt werden können, um die Verschmutzungsursache zu beseitigen und die verschmutzen Teile auszuwechseln, wofür der Anlagenbetrieb nur für kurze Zeit zu unterbrechen ist. Bei der technischen Lösung eines Verschmutzungssensors 30 nach der 6 kommt es durch eine Verschmutzung der sauberen Oberfläche eines Filtervlieses 98 zu einem signifikanten Farbumschlag, der durch eine Lichtsensorik erkannt wird. Hierfür sendet eine mit dem Bezugszeichen100 versehene Lichtquelle, Lichtstrahlen auf die Oberseite des Filtervlieses 98, das insoweit eine verschmutzungsempfindliche Oberfläche ausbildet und reflektierte Lichtstrahlen werden von einem Lichtsensor 102 erfasst. Die Lichtstrahlenführung ist in der 6 ebenso angedeutet wie die mit Pfeilen wiedergegebene Durchflussrichtung durch den Verschmutzungssensor 30. Damit das Filtervlies 98 beim Durchströmen nicht ausgangsseitig aus dem Sensorgehäuse 103 herausgezogen wird, stützt sich dieses auf einer verstärkten Bodenlage 104 ab.
Der Verschmutzungssensor 30 nach der 7 arbeitet mit ähnlichem Aufbau; aber nun wird eine Druckdifferenz beim Durchströmen des Filtervlieses 98 mittels zwei Druckmesseinrichtungen 106 vor und hinter dem Filtervlies 98 gemessen. Wird ein entsprechender Anstieg des Durchfluss-Widerstandes bei Verschmutzung festgestellt, erfolgt eine Signalabgabe. Die Druckdifferenzmessung mittels der Druckmesseinrichtung 106 erfolgt mit Schaltungsausgang und das Filtervlies 98 kann eine durchtränkbare Filtermatte sein, die bei Durchtränkung mit Öl einen höheren Durchfluss-Widerstand erzeugt als das reine Filtervlies 98 nach der 6.
Bei beiden Sensorprinzipien kann das Filtervlies 98 das durch Verschmutzung das Signal ausgelöst hat, ausgetauscht werden, so dass im Bedarfsfall der jeweilige Sensor 30 weiterhin benutzt werden kann.
Bei höheren Verdichtungsverhältnissen, beispielsweise ≥ 4 kommen grundsätzlich die mehrstufigen Verdichter gemäß den Ausführungsbeispielen nach den 4 und 5 zum Einsatz, weil die Thermodynamik des Verdichtens bei höheren Verdichtungsverhältnissen überhöhte Antriebsleistungen verlangt. Auch steigen dann die Gastemperaturen derart hoch an, dass besondere Werkstoffe zu verwenden sind. Mit weniger Antriebsleistung kommt dann ein mehrstufiger Verdichter mit Zwischenkühlung zwischen den Verdichterstufen aus, was energetisch ausgesprochen günstig ist.
Die Fördereinrichtung ist besonders geeignet für Wasserstoffanwendungen; es lassen sich damit aber auch andere Fluide transportieren und fördern und zwar auch solche, die vollständig inkompressibel sind und demgemäß bei der Förderung nicht verdichtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/079222 A2 [0002]

Claims

Fördereinrichtung für Fluide mit einem Ein (12)- und einem Auslass (14) und einem dazwischen geschalteten Förderteil (10), das von einem Antriebsteil (18) betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderteil (10) eine fluiddichte Medientrenneinrichtung (16) mit veränderlichem Kammervolumen aufweist, die mit ihrem Aufnahmeraum (21) eine fluidführende Verbindung mit dem Ein (12)- bzw. Auslass (14) eingeht und die mittels des Antriebsteils (18) unter Vergrößerung des Kammervolumens Fluid über den Einlass (12) im Rahmen eines Ansaughubes aufnimmt und unter Verringerung dieses Kammervolumens das aufgenommene Fluid im Rahmen eines Abgabehubs über den Auslass (14) abgibt.
Fördereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Medientrenneinrichtung (16) aus einem Balg gebildet ist, der mittels des Antriebsteils (18) fluidisch von außen derart angesteuert ist, dass bei einem Ansaughub das innere Kammervolumen des Balges sich vergrößert und bei einem Abgabehub sich verringert.
Fördereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsteil (18) einen hydraulischen Arbeitszylinder (46) aufweist, der mittels eines hydraulischen Antriebes (48) und einem Hauptventil (50) ansteuerbar ist.
Fördereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Arbeitszylinder (46) mit seiner Kolben-Stangen-Einheit (60) mit einer Dosierkammer vorgebbaren Dosiervolumens (54) den Ansaug- und Abgabehub für das Förderteil (10), vorzugsweise kolben- oder stangenseitig vorgibt und dass vorzugsweise stangen- bzw. kolbenseitig die Betätigung des Arbeitszylinders (46) über das Hauptventil (50) erfolgt.
Fördereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Erhalt eines vergleichmäßigten Fördervolumenstroms ein weiteres Förderteil (10) vorgesehen ist, das einen Abgabehub vornimmt, während das andere Förderteil (10) einen Ansaughub und umgekehrt durchführt.
Fördereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Förderteil (10) gleichfalls an den Arbeitszylinder (46) angeschlossen ist, der unter Bildung einer weiteren Dosierkammer vorgebbaren Dosiervolumens (56) einen zweiten Kolben aufweist, der mit dem ersten Kolben für die eine Dosierkammer mit der Kolbenstange verbunden ist.
Fördereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Förderung von Gasen das jeweilige Förderteil (10) als Verdichterteil fungiert, dass zwei Verdichterteile (10) einen einstufigen Verdichter ausbilden, und dass das Zusammenschalten mehrerer einstufiger Verdichter (10) einen mehrstufigen Verdichter ergibt.
Fördereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere zum Ausgleich von Leckagen am Arbeitszylinder (46) mindestens eine Dosiereinheit (52) vorhanden ist, die geringe Mengen an Dosiervolumen in die jeweilige Dosierkammer des Arbeitszylinders (46) einbringt oder aus dieser abführt.
Fördereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die jeweilige Dosiereinheit (52) an eine Zu (72)- und Abdosiereinheit (74) mittels Dosierventilen (68, 70) angeschlossen ist; - die jeweilige Dosiereinheit (52) durch eine Sekundärdruckabsicherung (76) geschützt ist; - Positionen des Arbeitszylinders (46) über eine Überwachungseinrichtung (80) erfassbar sind; - mittels Hydrospeichern (90), insbesondere in Form von Mittel- und Hochdruckgasspeichern, eine Vergleichmäßigung des Förderstroms stattfindet; - mindestens eine Kühleinrichtung (92) zwischen einzelnen Verdichterstufen (10) eingesetzt ist; und/oder - mittels Verschmutzungssensoren (30) der Fluidstrom, insbesondere Gasstrom, auf der Abgabeseite eines jeden Verdichterteils (10) überwacht ist.
Verwendung einer Fördereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine stufenweise Verdichtung von Gasen, wie Wasserstoff, einzelne baugleiche Verdichterteile (10) verwendet werden.