EP2122169A1

EP2122169A1 - Fluidarbeitsmaschine

Info

Publication number: EP2122169A1
Application number: EP07856620A
Authority: EP
Inventors: Manfred Dehnen; Heiko Habel; Christopher Skamel
Original assignee: Andreas Hofer Hochdrucktechnik GmbH
Current assignee: Andreas Hofer Hochdrucktechnik GmbH
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: US20110052430A1; JP2014090663A; EP2122169B1; JP5431953B2; WO2008074428A1; JP5868382B2; DE102006060147A1; DE102006060147B4; JP2010513779A

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Fluidarbeitsmaschine zum Verdichten bzw. Fördern von Fluiden, insbesondere zum Verdichten von Gasen auf hohe Drücke, mit einem Linearmotor (2), mindestens einem Zylinder (3), einem in dem Zylinder (3) axial bewegbaren Festkörperkolben (4) oder einem axial bewegbaren Flüssigkeitskolben (4') und mindestens einem zwischen dem Zylinder (3) und dem Festkörperkolben (4) bzw. dem Flüssigkeitskolben (4') ausgebildeten Kompressionsraum (5), wobei der Linearmotor (2) eine translatorische Antriebskraft auf den Festkörperkolben (4) bzw. dem Flüssigkeitskolben (4') überträgt. Bei einer derartigen Fluidarbeitsmaschine ist eine leckage- und schmiermittelfreie Verdichtung bzw. Förderung von Fluiden, insbesondere eine Verdichtung von Gasen auf hohe Drücke, bei möglichst einfachem Aufbau dadurch möglich, daß Festkörperkolben (4) bzw. der Flüssigkeitskolben (4').

Description

Fluidarbeitsmaschine

Die Erfindung betrifft eine Fluidarbeitsmaschine zum Verdichten bzw. Fördern von Fluiden, insbesondere zum Verdichten von Gasen auf hohe Drücke, mit einem Linearmotor, mindestens einem Zylinder, einem in dem Zylinder axial bewegbaren Festkörperkolben oder einem axial bewegbaren Flüssigkeitskolben und mindestens einem zwischen dem Zylinder und dem Festkörperkolben bzw. dem Flüssigkeitskolben ausgebildeten Kompressionsraum, wobei der Linearmotor eine translatorische Antriebskraft auf den Festkörper- kolben bzw. den Flüssigkeitskolben überträgt.

Fluidarbeitsmaschinen sind in verschiedenen Ausführungsformen und Varianten aus dem Stand der Technik bekannt. Die Fluidarbeitsmaschinen kann man dabei zunächst danach unterteilen, ob sie zum Fördern bzw. Verdichten von Flüssigkeiten oder von Gasen vorgesehen sind. Fluidarbeitsmaschinen, die zum Fördern von Flüssigkeiten eingesetzt werden, werden allgemein auch als Pumpen bezeichnet, während Fluidarbeitsmaschinen zum Verdichten von Gasen als Verdichter oder Kompressoren bezeichnet werden. Darüber hinaus können Fluidarbeitsmaschinen auch nach der Art der Antriebskraft - hydrau- lisch, elektrisch oder elektro-magnetisch - sowie nach der Art der Antriebsbewegung - rotatorisch oder translatorisch - unterschieden werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluidarbeitsmaschine, bei der die Antriebskraft von einem Linearmotor erzeugt wird, der auf einen in einem Zy lin- der geführten Kolben direkt, d. h. ohne Umwandlung einer Drehbewegung über eine Getriebe, eine translatorische Antriebskraft ausübt. Soll mit einer derartigen Fluidarbeitsmaschine ein Gas verdichtet werden, so kann die Maschine auch als Kolbenverdichter oder als Linearkompressor bezeichnet werden. Der Linearmotor besteht dabei im wesentlichen aus einem Stator bzw. Ständer und einem Läufer bzw. Aktuator, wobei der Linearmotor wie auch ein rotierender Motor als Asynchron- oder Synchron-Linearmotor ausgebildet sein kann. Der Linearmotor entspricht dann einem abgewickelten Asynchronmotor mit Kurzschlußläufer oder einem permanent erregten Synchron- Motor, wobei von der Spule bzw. Wicklung des Stators anstelle eines Dreh- feldes ein Wanderfeld erzeugt wird. Die Kraftübertragung erfolgt wie bei Drehfeldmaschinen entweder durch Spannungsinduktion im Kurzschlußläufer des Asynchronmotors oder durch Interaktion mit dem Feld der Permanentmagnete des Synchronmotors.

Aus der DE 10 2004 055 924 Al ist ein zuvor beschriebener Linearkompressor bekannt, bei dem der Magnet des Läufers an einem Magnetrahmen befestigt ist, der fest an einer Stirnseite des Kolbens angebracht ist. Bei dem bekannten Linearkompressor ist zur Kühlung des Linearmotors ein Kühlkanal vorgesehen, durch den die auf einem Spulenhalter befestigte Spule des Stators mit einem Kühlmittel gekühlt wird. Hierzu ist eine Pumpe vorgesehen, die Öl innerhalb eines den Linearkompressor hermetisch abdichtenden Behälters durch den Kühlkanal zur Spule bzw. zum Spulenhalter fördert. Das rücklaufende Öl wird dabei im unteren Teil des hermetisch abgedichteten Behälters gesammelt.

Aus der DE 102 14 047 Al ist ein Kompressor für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf bekannt, der ein Kompressorgehäuse mit einem darin ausgebildeten Kompressionsraum und einem in diesem hin- und her bewegbaren Hubkolben aufweist, bei dem als Antrieb für den Kompressor ein Linearmotor mit veränderbarer Ansteuerfrequenz eingesetzt ist, an dessen Reaktionsteil an der kompressorraumseitigen Stirnseite der Hubkolben befestigt ist. Der bekannte Kompressor ist einfach aufgebaut, besteht aus nur wenigen Bauteilen und ist relativ kleinbauend. Lagerungs-, Schmierungs- und Dichtungsprobleme sollen -jedenfalls bei einem Druckni- veau auf der Hochdruckseite zwischen 80 und 160 bar — nicht auftreten. Die Abdichtung des Hubkolbens gegenüber der Kompressionsraumwandung erfolgt mittels üblicher Ringdichtungen am Hubkolben. Da bei derartig bewegten Dichtungen zumindest im Laufe der Zeit prinzipbedingt Leckagen zur Atmosphäre auftreten, ist der aus der DE 102 14 047 Al bekannte Kompres- sor zumindest nicht zum Verdichten bis auf hohe Drücke (> 150 bar) geeignet und auch nicht vorgesehen.

Eingangs ist ausgeführt, daß die Fluidarbeitsmaschine einem in dem Zylinder axial bewegbaren Festkörperkolben oder einem axial bewegbaren Flüssig- keitskolben aufweist. Unter einem Festkörperkolben sollen dabei im Rahmen der Erfindung (übliche) feste bzw. massive (Metall-)Kolben verstanden wer- den, wie sie seit langem bekannt sind. Die zuvor beschriebenen Kompressoren weisen derartige Festkörperkolben auf. Unter einem Flüssigkeitskolben sollen dagegen im Rahmen der Erfindung eine Flüssigkeit verstanden werden, die zwar flüssig ist, sich jedoch insoweit wie ein Feststoff verhält, als durch eine Veränderung des Flüssigkeitsstandes der Flüssigkeit eine Verdichtung des Gases erreicht wird. Dabei befinden sich die Flüssigkeit und das zu verdichtende Gas beide in dem Zylinder, ohne daß es jedoch zu einer Vermischung von Flüssigkeit und Gas kommt. Der Flüssigkeitskolben oder "flüssige Kolben" übernimmt somit die Funktion des Festkörperkolbens, wobei der Flüssigkeits- kolben ebenso wie der Festkörperkolben durch das mittels Spulen erzeugte Wandermagnetfeld des Linearmotors translatorisch angetrieben wird.

Eine Fluidarbeitsmaschine mit einem Flüssigkeitskolben ist beispielsweise aus der DE 10 2004 046 316 Al bekannt, wobei bei dem dort offenbarten Ver- dichter vorzugsweise eine ionische Flüssigkeit verwendet wird, so daß der Verdichter auch als "ionischer Verdichter" bezeichnet wird. Der bekannte Verdichter weist zwei miteinander verbundene Zylinder auf, in denen sich jeweils eine Flüssigkeit und das zu verdichtende Gas befinden. Mittels einer Hydraulikpumpe werden die Flüssigkeitsstände in den beiden Zylindern derart variiert, daß einer der Zylinder das zu verdichtende Gas ansaugt, während in dem anderen Zylinder eine Verdichtung des Gases erfolgt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs beschriebene Fluidarbeitsmaschine zum Verdichten bzw. Fördern von Fluiden zur Verfügung zu stellen, die bei möglichst einfachem Aufbau eine leckage- und möglichst auch schmiermittelfreie Verdichtung bzw. Förderung von Fluiden, insbesondere eine Verdichtung von Gasen auf hohe Drücke, ermöglicht.

Diese Aufgabe ist bei der eingangs beschriebenen Fluidarbeitsmaschine zu- nächst dadurch gelöst, daß der Festkörperkolben bzw. der Flüssigkeitskolben im Bereich des Linearmotors von einem fest angeordneten Spaltrohr umschlossen ist. Durch die Anordnung eines Spaltrohres kann dabei auf einfache Art und Weise die Leckagefreiheit zur Atmosphäre erreicht werden. Die bei Abdichtung des Festkörperkolbens zum Antrieb und somit zur Atmosphäre an bewegten Dichtungen prinzipbedingt auftretenden Leckagen werden durch das Spaltrohr vermieden. Durch die Anordnung des Spaltrohres kann zur Atmosphäre ausschließlich mit statischen Dichtungen abgedichtet werden.

Nachfolgend werden zunächst bevorzugte Ausführungsbeispiels einer Fluid- arbeitsmaschine mit einem Festkörperkolben, d. h. mit einem massiven Kolben beschrieben. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Spaltrohr in radialer Richtung zwischen dem Läufer und der Spule des Stators angeordnet, so daß das Spaltrohr den Läufer umschließt. Bei dieser Ausführungsform befindet sich das Spaltrohr somit zwischen dem Sta- tor und dem Läufer. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind sowohl der Läufer als auch die Spule des Stators innerhalb des Spaltrohres angeordnet, so daß das Spaltrohr den Läufer und den Stator umschließt.

Bei der ersten Ausführungsvariante dient das Spaltrohr somit als Trennwand zwischen dem elektrischen Antriebssystem und dem fluidberührten Kompressionsraum bzw. dem bewegten Festkörperkolben, wobei das Spaltrohr zur Energieübertragung vom Magnetfeld durchdrungen wird. Dadurch kommt es zu elektrischen Verlusten als Folge von Wirbelströmen im Spaltrohr sowie zu einer Erwärmung des Spaltrohres, so daß der Wirkungsgrad eines Linearmo- tors mit dazwischen angeordnetem Spaltrohr geringer ist als der Wirkungsgrad eines Linearmotors mit außen liegendem Spaltrohr. Dieser Nachteil der größeren Verluste tritt bei der zweiten Ausführungsvariante, bei der das Spaltrohr den Läufer und den Stator umschließt, nicht auf. Diese Ausführungsform ist somit - zumindest theoretisch - vorteilhaft, es sei denn, daß mit der Flui- darbeitsmaschine aggressive Medien verdichtet werden sollen. In diesem Fall wäre die Spule bei dem außen liegenden Spaltrohr ebenfalls dem aggressiven Medium ausgesetzt, was zu einer Beeinträchtigung der Lebensdauer der Spule führen kann.

Die erfindungsgemäße Fluidarbeitsmaschine kann vorteilhafter Weise dadurch einfach aufgebaut sein, daß die Magnete des Läufers direkt auf dem Kolben angeordnet sind. Durch eine Befestigung der Magnete des Läufers direkt auf dem Kolben entfällt die Ausbildung und Anordnung eines separaten Magnetrahmens. Darüber hinaus können durch diese Ausgestaltung die radialen Ab- messungen der Fluidarbeitsmaschine, insbesondere des Zylinders, verringert werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Fluid- arbeitsmaschine mehrstufig ausgebildet, d. h. die Verdichtung eines Gases erfolgt in mindestens zwei, vorzugsweise in vier Stufen. Alternativ dazu ist auch eine einstufige Verdichtung möglich, wobei dann vorzugsweise eine Aus- gleichsstufe vorgesehen ist, um die für die Verdichtung notwenigen resultierenden Kräfte gering zu halten. Erfolgt die Verdichtung des Gases mehrstufig, so ist vorteilhafter vorgesehen, daß der Festkörperkolben mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist. Der Kolben kann dabei herstellungstechnisch aus mehreren Kolbenabschnitten zusammengesetzt sein.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fluidarbeitsmaschine mit einem Festkörperkolben ist der mit dem Spaltrohr verbundene Kompressionsraumdirekt oder über eine Leitung bzw. einen im Zylinder oder im Gehäuse ausgebildeten Kanal mit der Fluideintrittsseite, d. h. mit der Saugseite der Fluidarbeitsmaschine verbunden. Durch diese Maßnahme wird der Druck im Bereich des Spaltrohres auf den niedrigen Druck an der Fluideintrittsseite reduziert. Interne Leckagen, die entlang der bewegten Kolbenabdichtungen auftreten, werden auf den Saugdruck entspannt und an die Fluideintrittsseite abgeführt. Dadurch kann die erforderliche Wandstärke des Spaltrohres reduziert werden, wodurch sich bei einer Anordnung des Spaltrohres zwischen dem Läufer und der Spule des Stators die elektrischen Verluste verringern. Eine bei besonders hohen Drücken ansonsten erforderliche dick- oder doppelwandige Ausführung des Spaltrohres kann dadurch entfallen. Unabhängig davon ist jedoch zur Erhöhung der Sicherheit, insbesondere bei be- sonders gefährlichen Gasen (toxischen, umweltbelastenden oder radioaktiven Gasen) die Verwendung eines doppelwandigen Spaltrohres möglich.

Zur Reduzierung von elektrischen Verlusten, die durch die Verwendung des Spaltrohres auftreten können, ist es darüber hinaus möglich, das Spaltrohr nicht aus Metall sondern aus einem Kunststoff oder aus Keramik herzustellen. Bei der Auswahl des Kunststoffes bzw. der Keramik muß dabei darauf geachtet werden, daß das Spaltrohr auch dem maximal auftretenden Druck sicher standhalten kann.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist - wie im Stand der Technik grundsätzlich bekannt - mindestens ein Wärmetauscher zur Rück- kühlung des Fluids vorgesehen. Bei einer mehrstufigen Fluidarbeitsmaschine ist dabei vorzugsweise nach jeder Verdichtungsstufe ein derartiger Wärmetauscher angeordnet. Das zur Rückkühlung eines Gases durch den Wärmetauscher benötigte Kühlmittel kann dann vorzugsweise auch zur Kühlung des Li- nearmotors verwendet werden. Die Kühlung erfolgt dabei vorzugsweise von außen, d. h. über ein den Linearmotor umgebendes Gehäuse, so daß weder der Läufer noch der Stator direkt mit dem Kühlmittel in Berührung kommt. Alternativ zur Verwendung eines separaten Kühlmittels kann sowohl zur Rückkühlung des Fluids als auch zur Kühlung des Linearmotors das Fluid selber ver- wendet werden, sofern dieses in einem entsprechend kaltem Zustand vorliegt. Handelt es sich bei dem zu verdichtenden Gas, beispielsweise um Wasserstoff, welches vor der Verdichtung tiefkalt in der Flüssigphase vorliegt, so kann das Gas in der Flüssigphase als Kühlmittel genutzt werden.

Bei einer Fluidarbeitsmaschine zum Verdichten von Gasen auf hohe Drücke mit einem Flüssigkeitskolben ist der Flüssigkeitskolben vorzugsweise von einer magnetisierbaren Flüssigkeit gebildet, die keinen Dampfdruck aufweist, so daß sich keine Moleküle der Flüssigkeit mit dem zu verdichtenden Gas vermischen. Als Flüssigkeit für einen derartigen Flüssigkeitskolben kann beispiels- weise eine ionische Flüssigkeit verwendet werden. Wird eine solche Flüssigkeit verwendet, die sich nicht mit dem zu verdichtenden Gas vermischt, solange ihre Zersetzungstemperatur nicht erreicht ist, so kann auf ein nachfolgendes Trennen der Flüssigkeit von dem verdichteten Gas verzichtet werden.

Bei einer Fluidarbeitsmaschine mit einem Flüssigkeitskolben ist das Spaltrohr in radialer Richtung vorzugsweise innerhalb der Spule des Stators angeordnet, so daß das Spaltrohr die als Läufer fungierende Flüssigkeit umschließt. Im Bereich des Linearmotors weist das Spaltrohr somit die Funktion der Zylinderwand auf.

Durch die Verwendung des Flüssigkeitskolbens anstelle eines Festkörperkolbens kann nicht nur auf die Verwendung des massiven Kolbens sondern darüber hinaus auch auf die ansonsten benötigten Kolbenabdichtungen verzichtet werden. Die Abdichtung des Kompressionsraums erfolgt direkt durch die den Flüssigkeitskolben bildende Flüssigkeit, so daß eine Leckage zur Atmosphäre nicht auftreten kann. Darüber hinaus reduziert sich durch den Wegfall der Kolbenabdichtungen auch der Wartungsaufwand der Fluidarbeitsmaschine, da innerhalb des Arbeitsraumes keine Verschleißteile eingesetzt werden.

Im Unterschied zu dem aus dem Stand der Technik bekannten "ionischen Verdichter" erfolgt bei der erfindungsgemäßen Fluidarbeitsmaschine die Veränderung des Flüssigkeitsstandes nicht mittels einer Hydraulikpumpe sondern durch den Linearmotor, dessen von den Spulen erzeugtes Wandermagnetfeld auf die magnetisierbare Flüssigkeit eine translatorische Bewegungskraft ausübt. Durch die Verwendung eines Linearmotors anstelle einer Hydraulikpum- pe kann zum einen ein höherer maximaler Druck des zu verdichtetenden Gases erreicht werden, wird zum anderen der bei der Verwendung einer Hydraulikpumpe auftretende Verschleiß vermieden.

Die Verwendung eines Flüssigkeitskolbens weist darüber hinaus den Vorteil auf, daß über die Flüssigkeit eine zumindest teilweise Abführung der bei der Verdichtung entstehenden Verdichtungswärme sowie gleichzeitig eine Kühlung des Linearmotors, insbesondere eine Kühlung der Spule des Stators, erfolgen kann. Hierzu ist vorzugsweise mindestens ein Wärmetauscher zur Rückkühlung der Flüssigkeit vorgesehen.

Die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Fluidarbeitsmaschine eignet sich insbesondere zur Verdichtung von Gasen auf hohe Drücke, insbesondere zur Verdichtung von Wasserstoff auf 500 bar oder mehr. Damit eignet sich ein derartiger Linearkompressor insbesondere für die Ausrüstung von Wasser- Stofftankstellen.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Fluidarbeitsmaschine auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche so- wie auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fluidarbeitsmaschine, Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Teilbereichs A der Fluidar- beitsmaschine gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Flui- darbeitsmaschine,

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs der Fluidarbeits- maschine gemäß Fig. 3,

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fluid- arbeitsmaschine, und

Fig. 6 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fluid- arbeitsmaschine

Die Fig. 1, 3, 5 und 6 zeigen vier unterschiedliche Ausfuhrungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Fluidarbeitsmaschine 1 , wobei es sich bei den Figuren lediglich um vereinfachte Darstellungen handelt, so daß nur die für die vorliegende Erfindung wesentlichen Bauteile dargestellt sind. Die in den Figuren dargestellten Fluidarbeitsmaschinen 1 dienen zum Verdichten von Gasen, insbesondere von Wasserstoff, auf einen hohen Druck von beispielsweise 500 bar. Derartige Fluidarbeitsmaschinen 1 sind daher insbesondere für die Ausrüstung von Wasserstofftankstellen vorteilhaft einsetzbar.

Die in den Fig. 1, 3 und 5 dargestellten Fluidarbeitsmaschinen 1 weisen jeweils einen Linearmotor 2 zum Antrieb eines in einem Zylinder 3 bewegbar angeordneten Festkörperkolbens 4 auf. Durch den Einsatz des Linearmotors 2 als Antrieb wird auf den Festkörperkolben 4 eine translatorische Antriebskraft ausgeübt, so daß sich der Festkörperkolben 4 axial innerhalb des Zylinders 3, 3^* hin und her bewegen kann. Innerhalb des Zylinders 3 befindet sich mindestens ein Kompressionsraum 5, für das zu verdichtende Gas, wobei sich die Größe des Kompressionsraums 5 in Abhängigkeit von der Position des Festkörperkolbens 4 verändert.

Bei den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 und 3 ist die Fluidarbeitsmaschine 1 insgesamt 4-stufig ausgebildet, so daß die Verdichtung des Gases in vier aufeinanderfolgenden Stufen erfolgt. Entsprechend sind bei diesen beiden Ausführungsbeispielen an dem Festkörperkolben 4 vier Abschnitte 41, 42, 43, 44 mit jeweils unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet. Korrespondierend dazu weist auch der Zylinder 3, 3¹ vier unterschiedliche Ab- schnitte mit unterschiedlichen Innendurchmessern auf, so daß insgesamt vier Kompressionsräume 5 ausgebildet sind. Im Unterschied dazu ist die Fluid- arbeitsmaschine 1 gemäß Fig. 5 nur einstufig ausgebildet, wobei es sich hier jedoch um eine doppelt wirkende Fluidarbeitsmaschine 1 handelt, so daß auf beiden Seiten des Festkörperkolbens 4 jeweils ein Kompressionsraum 5 aus- gebildet ist.

Allen drei Ausführungsvarianten ist gemeinsam, daß der Festkörperkolben 4 im Bereich des Linearmotors 2 von einem fest angeordneten Spaltrohr 6 umschlossen ist. Durch die Anordnung des Spaltrohres 6 wird dabei eine sichere Abdichtung des Zylinderinnenraums 7 gewährleistet, so daß insgesamt die gewünschte Leckagefreiheit der Fluidarbeitsmaschine 1 auf einfache Art und Weise erreicht wird. Die Leckagefreiheit zur Atmosphäre muß dabei nicht mehr durch die an dem Festkörperkolben 4 angeordneten Kolbenabdichtungen 8 realisiert werden, die die Leckagefreiheit aufgrund ihrer Anordnung und Ausbildung als bewegte Dichtungen prinzipbedingt nicht bzw. nicht dauerhaft und insbesondere nicht schmiermittelfrei gewährleisten können. Die sonst übliche Durchführung der Kolbenstange zum Antrieb entfällt somit, ebenso die dafür erforderlichen bewegten Dichtsysteme. Die Leckagefreiheit zur Atmosphäre wird somit ausschließlich mit statischen Dichtungen 18 gewährleistet.

Der in den Figuren 1 bis 5 dargestellte Linearmotor 2 weist einen Stator mit einer Spule 9 und einen Läufer mit mehreren Magneten 10 auf, wobei die Magnete 10 unmittelbar auf dem Festkörperkolben 4 angeordnet sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bzw. entsprechend der vergrößerten Darstellung in Fig. 2 ist das Spaltrohr 6 in radialer Richtung zwischen dem Läufer, d. h. den Magneten 10 und der Spule 9 des Stators angeordnet, so daß das Spaltrohr 6 nicht nur den Festkörperkolben 4 sondern auch die Magnete 10 des Läufers umschließt. Bei dieser Ausführungsform befindet sich das Spaltrohr 6 somit zwischen dem Stator und dem Läufer, so daß das Spaltrohr 6 vom magnetischen Feld durchsetzt wird. Im Unterschied dazu sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 bzw. entsprechend der vergrößerten Darstellung in Fig. 4 sowohl der Läufer, d. h. die Magnete 10 als auch die Spule 9 des Stators innerhalb des Spaltrohres 6 angeordnet. Bei dieser Ausführungsva- riante sind somit nicht nur die Magnete 10 sondern auch die Spule 9 dem FIu- id ausgesetzt, welches trotz der Kolbenabdichtung 8 in den Zylinderinnenraum 7 im Bereich des Spaltrohres 6 eintritt.

In den Fig. 1, 3 und 5 ist angedeutet, daß der mit dem Spaltraum 6 verbundene Kompressionsraum 5 über eine Leitung 11 mit der Fluideintrittsseite 12 der Fluidarbeitsmaschine 1 verbunden ist. Dies fuhrt dazu, daß interne Leckagen, die trotz der Kolbenabdichtungen 8 zwischen dem Außenumfang des Festkörperkolbens 4 und der Innenwandung des Zylinders 3 auftreten, auf den Saugdruck entspannt und an die Fluideintrittsseite 12 abgeführt werden. Dadurch wird der Druck in dem von dem Spaltrohr 6 umgebenen Zylinderinnenraum 7 reduziert, wodurch das Spaltrohr 6 bei der Ausgestaltung gemäß den Fig. 1 und 2 bzw. die Spule 9 und das Spaltrohr 6 bei der Ausgestaltung gemäß den Fig. 3 und 4 nicht unnötig belastet werden. Durch die so erfolgte Reduzierung des Drucks in dem vom Spaltrohr 6 umgebenden Zylinderinnenraum 7 kann eine entsprechend geringere Wandstärke für das Spaltrohr 6 ausgewählt wer- den, wodurch es zu einer Reduzierung von in dem Spaltrohr 6 auftretenden Wirbelstromverlusten kommt.

Alternativ dazu kann der mit dem Spaltraum 6 verbundene Kompressionsraum 5 auch direkt mit der Fluideintrittsseite 12 verbunden sein, d. h. der Fluideintritt erfolgt in dem mit dem Spaltraum 6 verbundene Kompressionsraum 5. Weist das zu verdichtende Fluid eine niedrige Temperatur auf, so kann dadurch gleichzeitig eine Kühlung des Linearmotors 2 erfolgen.

Wie im Stand der Technik bekannt, erfolgt der Einlaß sowie der Auslaß des zu verdichtenden Gases über Ventile 13, die im Bereich der einzelnen Kompressionsräume 5 angeordnet und vorzugsweise als Plattenventile ausgebildet sind. Durch die anliegenden Differenzdrücke zwischen dem Kompressionsraum 5 und dem jeweiligen Ein- bzw. Auslaß erfolgt dann ein selbsttätiges Öffnen bzw. Schließen der Ventile 13. Da bei den beiden Ausführungsbeispie- len gemäß den Fig. 1 und 3 eine vierstufige Verdichtung des Gases erfolgt, weisen die Fluidarbeitsmaschinen 1 auch jeweils vier Einlaß- bzw. Auslaßventile 13 auf.

In den Fig. 1 und 3 ist darüber hinaus angedeutet, daß die einzelnen Kompres- sionsräume 5 über Leitungen 14 miteinander verbunden sind, wobei in den einzelnen Leitungen 14 jeweils ein Wärmetauscher 15 zur Rückkühlung des komprimierten Gases vorgesehen ist. Darüber hinaus ist in den Fig. 1 , 3 und 5 noch angedeutet, daß die Fluidarbeitsmaschine 1 einen Kühlmittelkreislauf 16 zur Kühlung der Spule 9 des Stators und somit zur Kühlung des Linearmotors 2 insgesamt aufweist. Die Kühlung erfolgt dabei von außen, d. h. über ein die Spule 9 umgebendes Gehäuse 17, so daß die Spule 9 nicht direkt mit dem Kühlmittel in Berührung kommt. Sowohl zur Rückkühlung des verdichteten Gases in den Wärmetauschern 15 als auch zur Kühlung des Linearmotors 2 kann dabei dasselbe Kühlmittel verwendet werden.

Schließlich ist aus den Figuren noch ersichtlich, daß die dargestellten Ausführungsbeispiele der Fluidarbeitsmaschine 1 jeweils zwei Zylinder 3, 3' aufweisen, wobei der Linearmotor 2 mit dem Spaltrohr 6 bzw. das den Linearmotor 2 umgebende Gehäuse 17 zwischen den beiden Zylindern 3, 3' angeordnet ist. Die Abdichtung zwischen den Stirnseiten der beiden Zylinder 3, 3' und den korrespondierenden Stirnseiten des Gehäuses 17 erfolgt dabei über statische Dichtungen 18.

Den Fig. 3 und 4 ist darüber hinaus noch entnehmbar, daß die elektrischen Leitungen 19 zu dem innerhalb des Spaltrohres 6 angeordneten Stator mit Hilfe druckdichter Kabeldurchführungen 20 leckagefrei zum Anschlußkasten 21 gefühlt sind, wobei auch der Anschlußkasten 21 druckdichte Kabeldurchführungen 20 aufweist, so daß die durch das Spaltrohr 6 gewonnene Leckagefreiheit zur Atmosphäre nicht durch den Anschluß der erforderlichen Leitungen 19 aufgehoben wird.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer Fluidarbeitsmaschine 1 dargestellt, die anstelle eines massiven Kolbens einen Flüssigkeitskolben 4' aufweist. Die den Flüssigkeitskolben 4¹ bildende Flüssigkeit ist innerhalb des aus den beiden Zylindern 3, 3¹ und dem Spaltrohr 6 gebildeten U-förmigen Gehäuses angeordnet. Oberhalb der Flüssigkeit befindet sich in beiden Zylindern 3, 3¹ jeweils ein Kompressionsraum 5 für das zu verdichtende Gas, wobei sich die Größe der beiden Kompressionsräume 5 in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstand der Flüssigkeit, d. h. von der Position des Flüssigkeitskolbens 4' ändert. Die in Fig. 6 dargestellte Fluidarbeitsmaschine 1 ist ebenso wie die Fluidarbeitsma- schine 1 gemäß Fig. 5 einstufig ausgebildet, wobei es sich auch hier um eine doppelt wirkende Fluidarbeitsmaschine 1 handelt, so daß auf beiden Seiten des Flüssigkeitskolbens 4' jeweils ein Kompressionsraum 5 ausgebildet ist.

In beiden Kompressionsräumen 5 ist jeweils ein Ventil 13 am Einlaß bzw. am Auslaß angeordnet, wobei die Auslässe der beiden Kompressionsräume 5 über Leitungen 14, in denen jeweils ein Wärmetauscher 15 zur Rückkühlung des komprimierten Gases angeordnet ist, miteinander verbunden sind. Der Linearmotor 2 ist zusammen mit dem Spaltrohr 6 bzw. dem den Linearmotor 2 umgebenden Gehäuse 17 zwischen den beiden Zylindern 3, 3' angeordnet, so daß das Spaltrohr 6 im Bereich des Linearmotors 2 die Zylinderwand für die Flüssigkeit darstellt.

Die in den Figuren dargestellten Fluidarbeitsmaschinen 1 eignen sich insbesondere zur Verdichtung von Gasen, vorzugsweise von Wasserstoff, auf hohe Drücke von beispielsweise 1000 bar, so daß derartige Fluidarbeitsmaschinen 1 zur Ausrüstung von Wasserstofftankstellen besonders geeignet sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Fluidarbeitsmaschine zum Verdichten bzw. Fördern von Fluiden, insbesondere zum Verdichten von Gasen auf hohe Drücke, mit einem Linearmotor (2), mindestens einem Zylinder (3), einem in dem Zylinder (3) axial bewegbaren Festkörperkolben (4) oder einem axial bewegbaren Flüssigkeitskolben (4') und mindestens einem zwischen dem Zylinder (3) und dem Festkörperkolben (4) bzw. dem Flüssigkeitskolben (4¹) ausgebildeten Kompressionsraum (5), wobei der Linearmotor (2) eine translatorische Antriebskraft auf den Festkör- perkolben (4) bzw. dem Flüssigkeitskolben (4¹) überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperkolben (4) bzw. der Flüssigkeitskolben (4¹) im Bereich des Linearmotors (2) von einem fest angeordneten Spaltrohr (6) umschlossen ist.

2. Fluidarbeitsmaschine nach Anspruch 1, mit einem Festkörperkolben (4), wobei der Linearmotor (2) einen Stator und einen Läufer aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Spaltrohr (6) in radialer Richtung zwischen dem Läu- fer und der Spule (9) des Stators angeordnet ist, so daß das Spaltrohr (6) den Läufer umschließt.

3. Fluidarbeitsmaschine nach Anspruch 1, mit einem Festkörperkolben (4), wobei der Linearmotor (2) einen Stator und einen Läufer aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Läufer als auch die Spule (9) des Stators innerhalb des Spaltrohres (6) angeordnet sind, so daß das Spaltrohr (6) den Läufer und den Stator umschließt.

4. Fluidarbeitsmaschine nach Ansprüche 2 oder 3, wobei der Läufer Magne- te (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (10) des Läufers direkt auf dem Kolben (4) angeordnet sind.

5. Fluidarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Festkörperkolben (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung eines Gases mehrstufig erfolgt.

6. Fluidarbeitsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperkolben (4) mehrere Abschnitte (41, 42, 43, 44) mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist.

7. Fluidarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Festkörperkolben (4), dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Spaltrohr (6) verbundene Kompressionsraum (5) direkt oder über eine Leitung (11) bzw. einen Kanal mit der Fluideintrittsseite (12) verbunden ist.

8. Fluidarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Festkörperkolben (4), dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmittelkreislauf (16) zur Kühlung des Linearmotors (2), insbesondere zur Kühlung der Spule (7) des Stators ausgebildet ist.

9. Fluidarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Festkörperkolben (4), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Wärmetauscher (15) zur Rückkühlung des Fluids vorgesehen ist.

10. Fluidarbeitsmaschine nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des Linearmotors (2) und zur Rückkühlung des Fluids dasselbe Kühlmittel oder das zu verdichtende Fluid verwendet wird.

1 1. Fluidarbeitsmaschine nach Anspruch 1 , zum Verdichten von Gasen auf hohe Drücke, mit einem Flüssigkeitskolben (4¹), dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskolben (4') von einer magnetisierbaren Flüssigkeit gebildet wird, die keinen Dampfdruck aufweist, so daß sich keine Moleküle der Flüssigkeit mit dem zu verdichtenden Gas vermischen.

12. Fluidarbeitsmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit eine ionische Flüssigkeit verwendet wird.

13. Fluidarbeitsmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Spaltrohr (6) in radialer Richtung innerhalb der Spule (9) des Stators angeordnet ist, so daß das Spaltrohr (6) die als Läufer fungierende Flüs- sigkeit umschließt.

14. Fluidarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Wärmetauscher (15) zur Rückkühlung der Flüssigkeit vorgesehen ist, wobei vorzugsweise die Flüssigkeit auch zur Kühlung des Linearmotors (2) verwendet wird.

15. Fluidarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit zwei Zylindern (3, 3'), dadurch gekennzeichnet, daß der Linearmotor (2) mit dem Spaltrohr (6) zwischen den beiden Zylindern (3, 3') angeordnet ist.

16. Fluidarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Spaltrohr (6) aus Metall, aus Kunststoff oder aus Keramik besteht.