EP4155541A1 - Hochdruckverdichter und system mit einem hochdruckverdichter - Google Patents

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EP4155541A1
EP4155541A1 EP22197706.9A EP22197706A EP4155541A1 EP 4155541 A1 EP4155541 A1 EP 4155541A1 EP 22197706 A EP22197706 A EP 22197706A EP 4155541 A1 EP4155541 A1 EP 4155541A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
gas
chamber
membrane
media
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22197706.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Löffler
Matthias Böhm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LOEFFLER, JOACHIM
Original Assignee
Kyros Hydrogen Solutions GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyros Hydrogen Solutions GmbH filed Critical Kyros Hydrogen Solutions GmbH
Publication of EP4155541A1 publication Critical patent/EP4155541A1/de
Pending legal-status Critical Current

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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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B45/0533—Pumps having fluid drive the fluid being actuated directly by a piston
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/32—Application in turbines in gas turbines
    • F05D2220/321—Application in turbines in gas turbines for a special turbine stage
    • F05D2220/3216—Application in turbines in gas turbines for a special turbine stage for a special compressor stage
    • F05D2220/3219—Application in turbines in gas turbines for a special turbine stage for a special compressor stage for the last stage of a compressor or a high pressure compressor

Definitions

  • a high-pressure compressor and a system with a high-pressure compressor are described, which are designed to compress a gas or gas mixture.
  • high pressure refers to the high-pressure compression of gases and gas mixtures at a compression of 40 bar above atmospheric pressure.
  • the high pressure compressor and system described herein can be used for the high pressure compression of combustible or oxidizing gases or gas mixtures.
  • An example of a combustible gas is hydrogen.
  • An example of an oxidizing gas is oxygen.
  • Flammable or oxidizing gas mixtures can contain hydrogen and oxygen.
  • Gases and gas mixtures with high pressures are required for various applications.
  • the pressures are in the range of several hundred bar or even over 1000 bar.
  • gases or gas mixtures with several 100 bar For example, hydrogen (H 2 ) is usually stored for interim storage in appropriate containers (gas cylinders) at a pressure of about 300 bar.
  • gases or gas mixtures There are difficulties in the compression of the gases or gas mixtures, with conventional solutions having disadvantages.
  • Known compressors for gas and gas mixtures are designed, for example, as piston compressors and have a linearly movable piston head, which compresses and thus compresses a gas or gas mixture introduced into a receiving space by reducing the receiving space. The compressed gas or gas mixture is then discharged and supplied to an application.
  • Such piston compressors are disadvantageous in particular because, due to the movable piston head, a seal must be provided which seals the piston head against a wall delimiting the receiving space. On the one hand, however, this seal cannot provide a complete seal because there is permanent movement between the components to be sealed, and it is subject to enormous wear due to the frequent movement.
  • the task is to provide a solution for the high-pressure compression of gases and gas mixtures which both eliminates the disadvantages of the prior art and also provides an alternative to the prior art that is simple in design and allows high compression of gases and gas mixtures in a small installation space.
  • a solution for high-pressure compression is to be provided which has no moving components that are primarily used for compression and are connected to the environment.
  • a high-pressure compressor for compressing a gas or gas mixture, having a housing that surrounds at least one first compression space and one media chamber, the at least one first compression space and the media chamber in the housing being separated from one another by at least one first membrane are separated, the housing having at least one first connection which opens into the media chamber and via which a medium can be introduced and/or discharged into the media chamber, the housing having at least one second connection which opens into the at least one first compressor chamber and via which a gas or gas mixture can be introduced and/or discharged, wherein the at least one first membrane consists of a polymer-based material and can be deformed to compress the gas or gas mixture that can be introduced into the at least one first compression chamber by introducing a medium into the media chamber.
  • the high-pressure compressor is designed as a membrane compressor and thus causes the compression of the gas or gas mixture that can be introduced into the media chamber by deforming the at least one first membrane.
  • a membrane compressor does not have a seal that is connected to moving components stands, so that there are no sealing problems.
  • the at least one first membrane can, for example, be installed tightly in the housing, with several sealing means being able to be provided.
  • the at least one first membrane can be clamped between two plates, with the at least one first membrane made of polymer-based material being arranged between the plates of the housing, which membrane itself serves as a “sealing ring” due to its material properties.
  • the high-pressure compressor is designed in such a way that the at least one first membrane is in contact with the inner wall of the at least one first compressor chamber in a first position.
  • the space that is available for introducing the gas or gas mixture includes both the media chamber and the at least one first compressor space. The entire volume of the high-pressure compressor is therefore available for compression.
  • the supply is interrupted and the line is sealed off. Compression then takes place, with an incompressible medium (e.g. water, (hydraulic) oil, etc.) being introduced into the media chamber via the at least one first connection.
  • an incompressible medium e.g. water, (hydraulic) oil, etc.
  • the pressure exerted on the at least one first membrane via the medium corresponds to the pressure on the side of the gas or gas mixture, so that compression is carried out essentially without differential pressure within the housing of the high-pressure compressor. This means that the pressure acting on the at least one first membrane inside the housing is the same on both sides.
  • the pressure on the at least one first membrane is increased by the incompressible medium from the media chamber side, so that the at least one first membrane is deformed in the direction of the at least one first compressor chamber, which then leads to a compression of the in the at least one first Compressor room recorded gas or gas mixture leads.
  • the at least one first membrane can be deformed by the incompressible medium until the at least one first membrane rests completely or almost completely on an inner wall of the at least one first compressor chamber. This achieves a high level of compression because the gas or gas mixture can be compressed essentially by the entire volume of the at least one first compressor chamber. Compared to known devices, a higher compression is thus achieved.
  • the at least one first membrane can be deformed by stretching the membrane, with the membrane being designed accordingly in terms of its design and/or internal structure so that the required deformation is achieved.
  • the compression chamber and the media chamber can have essentially the same volume.
  • the at least one first compression chamber and/or the media chamber can essentially have the shape of a spherical segment and the at least one first membrane form the base of the spherical segment.
  • the corresponding inner walls of the at least one first compressor chamber and the media chamber are essentially concave and thus have a curved inner side.
  • the at least one first membrane for example, can then rest against the curved inner walls, with the at least one first membrane being in surface contact with the corresponding inner wall of the at least one first compressor chamber after complete deformation.
  • the compressed gas or gas mixture can then be forced into at least one channel in the housing that communicates with the second port.
  • the essentially concave inner wall of the at least one first compressor chamber can have grooves or the like running towards the center, the depth and width of which can increase or decrease, so that the compressed gas or Gas mixture is pressed into the grooves or the like and discharged from there after the at least one membrane has been completely deformed, taking into account the fact that the at least one first membrane rests against the inner wall of the at least one first compressor chamber in the fully deformed state.
  • the at least one first membrane can be deformable to such an extent that it comes into contact with the inner wall of the at least one first compressor chamber and/or the media chamber from an initial position.
  • the high-pressure compressor can have a second compression chamber which is separated from the media chamber by a second membrane, the media chamber is arranged between the first compression chamber and the second compression chamber, and wherein the housing has at least one fourth connection which opens into the second compression chamber and via which a gas or gas mixture can be introduced and/or discharged.
  • the two membranes are simultaneously deformed in different directions for compressing a gas or gas mixture introduced into the first compression space and into the second compression space. For this purpose, an incompressible medium is fed into the media chamber.
  • the second membrane can be designed analogously to the embodiments described above.
  • the membranes and the associated first and second compression chambers can each be designed and constructed in the same way in the various designs.
  • the layer structure provides a simple structure of the high-pressure compressor.
  • the assembly of the high-pressure compressor easy to do.
  • the individual layers can be fastened to one another via screws or the like, with the screws or the like being guided through bores in the respective layers.
  • the layer structure offers the possibility of tensioning the membranes between the individual layers and making the interior of the housing absolutely gas-tight.
  • the at least one first membrane and/or the second membrane can have a larger surface area than a maximum diameter of the at least one first compression chamber, the media chamber and/or the second compression chamber.
  • the at least one first membrane can thus be arranged areally between individual layers of the housing and also provides a seal. This means that separate sealants can be dispensed with.
  • the at least one first membrane can consist of an elastomer.
  • the elastomer can be an ethylene propylene diene monomer or fluorocarbon rubber.
  • Such materials are particularly suitable for the high-pressure compressor used with combustible gases and gas mixtures, since they have sufficient properties that both prevent diffusion of gas or gas mixture and are not damaged or destroyed by the gas or gas mixture.
  • the deformability of the at least one first membrane results in the advantage that a greater deflection can be achieved compared to simple, disk-like membranes.
  • a significantly increased compression of a gas or gas mixture can be achieved, in particular compared to disc-like ones deformable membranes.
  • the greater deflection of the at least one first membrane also makes it possible to reduce the frequency of the at least one first membrane, ie the movements of the at least one first membrane in the appropriate directions for compression, with performance in relation to the amount of compressed gas provided or gas mixture is at least as large as in a comparable, non-deformable membrane. Lower frequencies have a particularly positive effect on the service life of the at least one first membrane and thus of the high-pressure compressor.
  • the deformability of the at least one first membrane can be supported, for example, by a structured design of the at least one first membrane, with the membrane having changes in its composition or constructive design features (eg grooves and beads - "loudspeakers").
  • the system offers the possibility of high-pressure compression of a gas or gas mixture with at least one high-pressure compressor, which, due to the large deflection of the at least one first membrane, requires lower load changes in order to compress the same amount of gas compared to a conventional compressor, with the Funding and control means also have reduced funding and control cycles. This makes the system easier form. This also simplifies the control of the system.
  • the pressurization of the medium within the at least one media chamber can be carried out via the conveying means, which convey the incompressible medium into the at least one media chamber.
  • the conveying means are designed, for example, as pistons and/or as a pump. It is particularly advantageous if a conveying means is designed as a pump that the piston can be omitted entirely. With such an advantageous configuration, a system without a piston can be used as the conveying and/or pressurizing means.
  • the medium circuit and the medium guided and conveyed via it can be heated and/or air-conditioned at least in the area of the at least one first connection.
  • a viscosity of the incompressible medium is advantageously achieved in this way so that no back pressure is generated on the conveying means when it flows into the at least one medium chamber via the at least one first connection.
  • FIGS. 1-10 show exemplary embodiments of a high-pressure compressor 100, of compressor systems 500 and methods for high-pressure compression in a compressor system 500, which are described below by way of example, and are possible implementations of the technical teaching disclosed herein.
  • the embodiments shown and described below are therefore not limiting and may additionally have features or alternatives indicated herein.
  • Features of the individual embodiments can also be provided reciprocally, even if they are only described for one of the embodiments, provided they are also suitable for this.
  • the high-pressure compressor 100 can be used, for example, to compress a gas, such as hydrogen (H 2 ), or a gas mixture. There is a high-pressure compression of the gas. In the case of high-pressure compression, pressures above approx. 40 bar are used in this context.
  • Conventional high-pressure compressors have a slidably mounted piston head in order to be able to generate the high pressures.
  • the piston head is moved a relatively large distance within a cylindrical tube in order to achieve the high compression of the gas.
  • the high-pressure compressor 100 described herein has the advantage over known high-pressure compressors that the device is relatively small and, moreover, no moving components are provided which are connected to the environment and primarily bring about the high-pressure compression. Therefore, a gas-tight design is guaranteed. In addition, there is no abrasion and thus no destruction of sealing means as in the prior art, because no seals are required and the membrane 200 itself serves as a seal.
  • the component provided for compressing a gas in the form of a first membrane 200 consisting of a polymer-based material is arranged within a housing 120 of the high-pressure compressor 100 and is therefore not in contact with the environment.
  • the high-pressure compressor 100 from 1 has a housing 120 which has a first compressor head 300 and a second compressor head 400 .
  • the compressor heads 300 and 400 are of identical design in the exemplary embodiment shown, so that descriptions of one of the compressor heads 300, 400 also apply to the other compressor head 300, 400.
  • the compressor heads 300, 400 can also differ from one another, in particular in the design and arrangement of connections etc.
  • the compressor heads 300, 400 are made of metal or a metal alloy and each have a solid design Plate 310, 410 on.
  • the design of the compressor heads 300, 400 is in 2 shown.
  • the material used for the compressor heads 300, 400 can be, for example, a stainless steel or a stainless steel alloy, such as a stainless steel alloy from the group 316L.
  • the compressor heads 300, 400 each have a compressor chamber 330 or a media chamber 430 on the opposite sides in the assembled state.
  • the compressor chamber 330 serves to accommodate a gas or gas mixture that is compressed.
  • the media chamber 430 is used to hold a medium that is required for the deformation of the membrane 200 to compress the gas or gas mixture.
  • the compressor space 330 and the media chamber 430 primarily serve to introduce the gas/gas mixture or the medium into the spaces.
  • the membrane 200 During the high-pressure compression, there is in particular a displacement of the membrane 200 such that it comes into contact with the opposite inner walls of the compressor space 330 and the media chamber 430 .
  • a gas/gas mixture or a medium can also be accommodated in the space spanned by the compressor space 330 or the media chamber 430 within the compressor heads 300 , 400 by a corresponding deformation of the membrane 200 .
  • the compressor space 330 and the media chamber 430 are concave.
  • the elastically deformable membrane 200 can be deformed to such an extent that the membrane 200 comes into contact with the inner walls of the compressor space 330 and the media chamber 430 essentially over its entire surface.
  • the membrane 200 which consists of a polymer-based material, is arranged between the compressor heads 300, 400. Elastomers are particularly suitable as the material. In 15 possible configurations of such membranes 200 are shown.
  • the membrane 200 is deformed so that it gradually comes into contact with the inner walls of the compressor space 330 or the media chamber 430 .
  • the formation of the membrane 200 therefore makes it possible to use the entire volume inside the housing 120 of the high-pressure compressor 100, consisting of the compressor space 330 and the media chamber 430, for the compression of a gas/gas mixture.
  • the membrane 200 can have a neutral position ( 15 ) and are deformed from the neutral position in both directions.
  • an incompressible medium is introduced under pressure via the media chamber 430 .
  • the pressure via the medium on the membrane 200 exerts a correspondingly high pressure on the gas/gas mixture, which is then compressed or condensed.
  • water or a (hydraulic) oil can be used as an incompressible medium.
  • Both the compressor space 330 and the media chamber 430 each have at least one connection 320, 420, via which the gas/gas mixture or the medium is fed in and removed again.
  • connection 320, 420 via which the gas/gas mixture or the medium is fed in and removed again.
  • separate connections for supplying and removing the gas/gas mixture or the medium can be provided.
  • the second connection 320 for supplying gas/a gas mixture can be designed such that, starting from a central supply opening in the second connection 320 at the Outside of the compressor head 300 of the connection 320 merges into a plurality of smaller channels that have a small diameter compared to the input diameter. These channels then protrude into the compressor space 330 via corresponding openings. This prevents the membrane 200 from being subjected to a punctiform, central loading when the gas/gas mixture or the medium flows in/out. By splitting the central inlet into many smaller channels, the load is distributed.
  • openings in the compressor chamber 330 and in the media chamber 430 can extend over an area which corresponds, for example, to three times the diameter of the connection 320, 420.
  • the openings of these channels can preferably only open into the area which has the greatest depth in relation to the spatial volume of the compressor space 330 or the media chamber 430 .
  • the supply and discharge of the gas/gas mixture and the medium is controlled via appropriate valves.
  • the membrane 200 itself is arranged between the opposite flat surfaces of the cylinder heads 300, 400 and the plates 310, 410, respectively.
  • the membrane 200 has a surface area that is greater than the surface area of the compressor chamber 330 and the media chamber 430. The membrane 200 therefore rests against the plates 310, 410 in the installed state.
  • the two cylinder heads 300, 400 and the membrane 200 arranged between them are connected to one another via fastening means 110.
  • the plates 310, 410 and the first membrane 200 have continuous openings 314, 414, 220 through which threaded rods 112 are guided.
  • the cylinder heads 300, 400 and the membrane 200 can be connected to one another via nuts 114 and washers 116 and the membrane 200 can be braced. This achieves sealing of the compressor space 330 and the media chamber 430 from the environment. Due to the material of the first membrane 200, a seal is additionally achieved in the area of the contact surfaces between the compressor heads 300, 400 and the first membrane 200. Structures can also be provided in the contact surfaces of the compressor heads 300, 400, which partially deform the membrane 200 in the connected state in order to further improve the gas-tight design of the high-pressure compressor 100.
  • FIG. 12 shows various views of a first and second compressor head of the high-pressure compressor of FIG 1 .
  • Walls 312, 412 are located between the openings 314, 414.
  • the design of the compressor heads 300, 400 is selected in such a way that they have a sufficiently large wall thickness around the compressor space 330 and the media chamber 430.
  • FIG 3 shows a schematic representation of a compressor system 500 with a high-pressure compressor 100 according to the embodiment of FIG 1 .
  • a compressor system 500 can also be equipped with a modification of the 1 shown high pressure compressor 100, which falls under the technical teaching described herein.
  • a compressor system 500 can in principle also have a plurality of high-pressure compressors 100 which are connected in parallel or in series, for example.
  • the compressor system 500 has lines and control devices as well as valves and a piston 510 and a tank 514 in which an incompressible medium is accommodated.
  • the tank 514, the piston 510 and a pump 512 are part of a media circuit, which in turn is part of the compressor system 500.
  • the compressor system 500 has a gas or gas mixture circuit which, in addition to the lines for the supply and discharge of the gas or gas mixture, has control devices, valves, a reservoir 520 in which the gas or gas mixture for high-pressure compression is stored, and a connection to any application 530 on.
  • the compressor system 500 also has overpressure valves which allow gas to escape to the atmosphere if critical, adjustable pressures in the system are exceeded.
  • a gas or gas mixture is compressed from a pressure of at least 10 bar in the reservoir 520 to a maximum of 1000 bar, so that the application 530 has a gas or Gas mixture is provided with a maximum pressure of 1000 bar.
  • FIGS Figures 4-7 The compression process in the compressor system 500 via the high-pressure compressor 100 is shown in FIGS Figures 4-7 shown and is described below with reference to FIG Figures 4-7 described.
  • the gas side or the compressor space 330 of the compressor head 300 is filled with gas from the supply 520 .
  • the valve from the reservoir 520 and a valve 522 are opened, so that gas is supplied into the compressor chamber 330 via the second connection 320 .
  • Gas is stored in the reservoir 520 at a pressure of about 10 bar.
  • the membrane 200 is deflected in the direction of the water side, i.e. in the direction of the media chamber 430, and for this step the pump 512 in the media circuit pumps the medium (water) back into the tank 514, which serves as a storage container for the water.
  • a relief line of the media circuit from the cylinder of the piston 510 is open and due to the higher pressure on the gas side (compression chamber side), the membrane 200 is completely applied to the inner wall of the media chamber 430 of the compressor head 400 and the head of the piston 510 is moved to its starting position.
  • Gas side inlet valve 522 is closed and valve 526 to application 530 is opened.
  • the circuit is closed back into the tank 514 and the relief line, and the water is pushed into the rear side of the cylinder of the piston 510, causing more Volume on the water side of the high-pressure compressor 100 in the compressor head 400 is funded. This change in volume causes the gas to be compressed on the gas side and thus increases the pressure in the application 530.
  • Step 1 to depressurize the high pressure compressor 100 (Fig. 6)
  • Valve 526 to gas application 530 is closed.
  • the water circuit in the media circuit back into the tank 514 is opened and, at the same time, the relief line into the tank 514. Due to the pressure present on the gas side of the high-pressure compressor 100, the head of the piston 510 is pushed back a little, depending on the prevailing pressure Starting position is pushed back and the escaping water is caught in the tank 514.
  • Step 2 to depressurize the high pressure compressor 100 (Fig. 7)
  • the relief line to tank 514 remains open and pump 512 continues to pump back into tank 514 .
  • the valve 524 for pressure relief on the gas side is opened and the pressure can drop very quickly due to the small volumes or the membrane 200 can deflect further towards the water side.
  • valve 522 can then be opened again and the valve 524 can be closed for pressure relief in order to carry out a renewed supply of gas into the compressor chamber 330 of the cylinder head 300 and high-pressure compression.
  • FIG 8 shows an exploded drawing of a high-pressure compressor 100 of a second embodiment.
  • the high-pressure compressor 100 of the second embodiment differs from that in FIG 1
  • the high-pressure compressor 100 shown is that the high-pressure compressor 100 instead of a second compressor head 400 has an intermediate plate 600, a third compressor head 700 and, in addition, a second membrane 200.
  • the third compressor head 700 has an identical design to the first compressor head 300. Instead of a media chamber 430 like the second compressor head 400, the third compressor head 700 has a second compressor chamber 730, into which a gas or gas mixture can be supplied and discharged via a third connection 610 .
  • the third connection 610 can be designed in exactly the same way as the second connection 320. The gas/gas mixture is fed into the high-pressure compressor 100 of the second embodiment via the second connection 320 and the third connection 610 together.
  • the second membrane 200 and the first membrane 200 are of identical design, with the first membrane 200 being arranged between the first compressor head 300 and the intermediate plate 600 and the second membrane 200 between the intermediate plate 600 and the third compressor head 700 .
  • the individual components of the housing 120 are held and clamped to one another by means of fastening means 110, analogously to the first embodiment.
  • the membranes 200 come into planar contact with the surfaces of the first compressor head 300 , the intermediate plate 600 and the third compressor head 700 , which surround the compressor chambers 330 , 730 and the media chamber 620 .
  • the intermediate plate 600 has, as shown in various views in 9 shown, a cylindrical, disc-shaped media chamber 620, in which two opposing third connections 610, an incompressible medium, such as water or (hydraulic) oil, can be introduced and discharged.
  • an incompressible medium such as water or (hydraulic) oil
  • the supply and removal of the incompressible medium can also take place via the two third connections 610 via a corresponding control and valves in such a way that one of the two third connections 610 is only used for media supply and the other third connection 610 only for media removal.
  • the intermediate plate 600 also has openings 630 through which threaded rods 112 can be guided in order to connect the compressor heads 300, 700, the intermediate plate 600 and the membranes 200 to one another.
  • the intermediate plate 600 consists of the same material as the compressor heads 300, 400 and 700.
  • the membranes 200 can be deformed by the introduced medium to such an extent that the membranes 200 come into complete contact with the insides of the compression chambers 330, 730 in order to compress the gas/gas mixture introduced into the compression chambers 330, 730.
  • a medium is introduced into the media chamber 620 for this purpose.
  • the membranes 200 can be shifted to such an extent that they dip into the media chamber 620 and rest against one another. This means that the entire available interior of the housing 120 is available for the high-pressure compression and, analogously to the 1 described first embodiment, a high compression can be achieved.
  • the high-pressure compressor 100 of the second embodiment essentially has a twice as large a volume for compression as the high-pressure compressor 100 of the first embodiment.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a compressor system 500 with a high-pressure compressor 100 according to the second embodiment 8 .
  • the gas is supplied via the valve 522 into the two compressor chambers 330, 730 together.
  • the gas is supplied via connections 320,720.
  • the compressed gas is discharged via further connections which are connected to the compression chambers 330, 730 and are designed, for example, in accordance with the connections 320, 720.
  • the compressed gas is also discharged together.
  • FIG. 1 shows various steps of high-pressure compression in the compressor system according to FIG 10 , wherein the compression steps are those of the compressor system 500 of FIGS Figures 3 to 7 are equivalent to.
  • the gas side or the compressor chambers 330, 730 of the compressor heads 300, 700 of the high-pressure compressor 100 are filled with gas from the supply 520.
  • the valve from the reservoir 520 and the valve 522 are opened, so that gas is supplied to the compressor chambers 330 , 730 via the second connection 320 and the fourth connection 720 .
  • Gas is stored in the reservoir 520 at a pressure of at least 10 bar.
  • the membranes 200 By introducing gas into the compressor chambers 330, 730, the membranes 200 are moved towards the water side, i.e. in Direction of the media chamber 620, and the pump 512 in the media circuit pumps the medium (e.g. water or oil) through the cylinder of the piston 510 and through the media chamber 620, the pressure being coupled to the gas side in the gas circuit via a dome valve 540.
  • the membranes 200 have no differential pressure and are therefore not deflected to either side.
  • the constant flow through the front part of the cylinder of the piston 510 ensures a constant heat exchange of the water, with which a temperature influence on a hydraulic medium for actuating the cylinder of the piston 510 can be neglected.
  • Gas side inlet valve 522 is closed and valve 526 to application 530 is opened.
  • the circuit is closed by the front side of the cylinder of the piston 510 and the water is pressed into the rear side of the cylinder, which means that more volume is pumped into the media chamber 620 via the water side of the high-pressure compressor 100. This change in volume causes the gas to be compressed on the gas side and thus increases the pressure in the application 530.
  • Step 1 to depressurize the high pressure compressor 100 (Fig. 13)
  • Valve 526 to gas application 530 is closed.
  • the water circuit in the media circuit through the front part of the cylinder is opened and, in parallel, a relief line into the tank 514.
  • the pressure applied via the dome valve 540 in the front part of the cylinder moves the head of the piston 510 to its initial position pressed back and the escaping water was collected in the tank 514.
  • Step 2 to depressurize the high pressure compressor 100 (Fig. 14)
  • valve 524 is closed to relieve pressure.
  • the relief line from the cylinder of piston 510 is closed.
  • FIG. 15 shows schematic representations of exemplary embodiments of a first membrane 200 and/or a second membrane 200 for a high-pressure compressor 100 of the first embodiment and the second embodiment.
  • the first membrane 200 and the second membrane 200 can be designed in the various versions, for example, as in 15 shown.
  • the first membrane 200 and the second membrane 200 are disc-shaped.
  • the diameter of the membranes 200 is larger than the diameter of the compressor chambers 330, 730 and the media chambers 430, 620, so that the membranes 200, depending on the embodiment, are flat in Plant with the contact surfaces of the compressor heads 300, 400, 700 and the intermediate plate 600 come.
  • the connecting elements, threaded rods 112 in the embodiments shown, are passed through the openings 220 of the membranes 200 .
  • the membranes 200 are made of a polymer-based material and therefore have "rubber-like" properties. The properties can be significantly adapted depending on the application by an appropriate selection of the polymers used, the thickness of the membranes 200 and other additives.
  • the "rubber-like" properties allow the membranes 200 to be shifted to such an extent that they come into complete contact with the inner walls of the compression chambers 330, 730 and the media chambers 430, 620. In addition, this property enables additional sealing of the interior of the high-pressure compressor 100.
  • the contact surfaces of the corresponding components can also have receiving recesses for the membranes 200, so that apart from the membranes these components are directly in contact stand with each other.
  • the lower representation of 15 12 shows both a membrane 200 having a rectangular shape and a membrane having a round shape.
  • the shape of the membrane 200 is not limited to the shown embodiments. Other shapes include polygonal configurations (eg six-, eight-, ten-, twelve-sided, etc. or correspondingly odd polygons). Essential to the teaching described herein is It is that the membrane 200 protrudes beyond the openings in the compressor heads 300, 400, 700 and the intermediate plate 600 in the area of the compressor chambers 330, 730 and the media chambers 430, 620 over a definable minimum section and this area in the shown embodiments within the fastening sections (openings 220) lies.
  • valve 522 and the valve 524 and the valve 526 can be designed as a check valve.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram for high-pressure compression in a compressor system 500, which has a high-pressure compressor 100.
  • a high-pressure compressor 100 can, for example, be a high-pressure compressor 100 of the first embodiment ( 1 ) or a high-pressure compressor 100 of the second embodiment ( 8 ) be.
  • a first step S1 the high-pressure compressor 100 is filled from the supply 520 (see 4 / 11 ).
  • the corresponding valves are opened or closed.
  • step S2 the hub takes place in the application 530 (see figure 5 / 12 ) from the high-pressure compressor 100.
  • step S3 a first intermediate step for depressurizing the high-pressure compressor 100 takes place (see 6 / 13 ), whereby the supply of gas from the high-pressure compressor 100 to the gas application 530 is closed.
  • step S4 a second intermediate step for depressurizing the high-pressure compressor 100 takes place (see figure 7 / 14 ), whereby the pressure on the gas side is relieved by opening the valve 524 and reducing the pressure.
  • step S5 there is a switchover for a new filling of the high-pressure compressor 100, for which purpose the valve 522 is opened again and the valve 524 is closed to relieve the pressure.
  • the entire internal space in the housing 120 of the high-pressure compressor 100 is used for compression. Furthermore, only first membrane 200 and second membrane 200 are moved or deformed within housing 120, so that on the one hand the space required for compression does not depend on the compression process via moving components and, moreover, the compression space is essentially completely sealed from the environment becomes.

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Abstract

Es werden ein Hochdruck-Verdichter (100) und ein System (500) mit einem Hochdruck-Verdichter (100) beschrieben, die zur Verdichtung eines Gases oder Gasgemisches ausgebildet sind, wobei der Hochdruck-Verdichter (100) ein Gehäuse (120) aufweist, das mindestens einen Verdichterraum (330) und eine Medienkammer (430) umgibt, wobei der Verdichterraum (330) und die Medienkammer (430) in dem Gehäuse (120) über eine Membran (200) voneinander getrennt sind. Das Gehäuse (120) weist mindestens einen ersten Anschluss (420) auf, der in die Medienkammer (430) mündet und über den ein Medium in die Medienkammer (430) ein- und/oder ausleitbar ist. Das Gehäuse (120) weist mindestens einen zweiten Anschluss (320) auf, der in den Verdichterraum (330) mündet und über den ein Gas oder Gasgemisch ein- und/oder ausleitbar ist. Die Membran (200) besteht einem polymerbasierten Werkstoff und ist zur Verdichtung eines in den Verdichterraum (330) einleitbaren Gases oder Gasgemischs durch Einleitung eines Mediums in die Medienkammer (430) verformbar.

Description

  • Es werden ein Hochdruckverdichter und ein System mit einem Hochdruckverdichter beschrieben, die zur Verdichtung eines Gases oder Gasgemisches ausgebildet sind.
    • Hintergrund
  • Unter "Hochdruck" wird gemäß dem allgemeinen technischen Verständnis für die Hochdruckverdichtung von Gasen und Gasgemischen bei einer Verdichtung ab 40 bar über dem atmosphärischen Druck gesprochen.
  • Der hierin beschriebene Hochdruckverdichter und das System können für die Hochdruckverdichtung von brennbaren oder oxidierenden Gasen oder Gasgemischen eingesetzt werden. Ein brennbares Gas ist bspw. Wasserstoff. Ein Beispiel für oxidierendes Gas ist Sauerstoff. Brennbare oder oxidierende Gasgemische können Wasserstoff und Sauerstoff enthalten.
  • Für verschiedene Anwendungen werden Gase und Gasgemische mit hohen Drücken benötigt. Teilweise liegen die Drücke im Bereich von mehreren hundert bar oder sogar über 1000 bar. So werden bspw. bei Anwendungen im Bereich von energieerzeugenden Einrichtungen oder für mobile Anwendungen (z.B. Fahrzeuge) Gase bzw. Gasgemische mit mehreren 100 bar benötigt. Üblicherweise wird bspw. Wasserstoff (H2) zur Zwischenlagerung in entsprechenden Behältern (Gasflaschen) bei einem Druck von etwa 300 bar gelagert. Schwierigkeiten bestehen dabei in der Verdichtung der Gase bzw. Gasgemische, wobei konventionelle Lösungen Nachteile aufweisen.
    • Stand der Technik
  • Bekannte Verdichter für Gas und Gasgemische sind bspw. als Kolbenverdichter ausgebildet und weisen einen linear beweglichen Kolbenkopf auf, der ein in einen Aufnahmeraum eingebrachtes Gas oder Gasgemisch durch Verkleinerung des Aufnahmeraums komprimiert und somit verdichtet. Das verdichtete Gas oder Gasgemisch wird dann ab- und einer Anwendung zugeführt.
  • Nachteilig sind solche Kolbenverdichter insbesondere deshalb, weil aufgrund des beweglichen Kolbenkopfs eine Dichtung vorgesehen sein muss, die den Kolbenkopf gegenüber einer den Aufnahmeraum begrenzenden Wand abdichtet. Diese Dichtung kann aber zum einen keine vollständige Abdichtung bereitstellen, weil permanent eine Bewegung zwischen den abzudichtenden Komponenten vorliegt, und unterliegt aufgrund der häufigen Bewegung einem enormen Verschleiß.
  • Weiterhin benötigt ein solcher Verdichter - je nach Verdichtungsverhältnis - viel Bauraum.
    • Aufgabe
  • Demgegenüber besteht die Aufgabe darin, eine Lösung zur Hochdruckverdichtung von Gasen und Gasgemischen anzugeben, welche sowohl die Nachteile des Stands der Technik behebt als auch eine Alternative zum Stand der Technik bereitstellt, die einfach ausgebildet ist und bei geringem Bauraum eine hohe Verdichtung von Gasen und Gasgemischen erlaubt. So soll eine Lösung zur Hochdruckverdichtung bereitgestellt werden, welche keine beweglichen Komponenten aufweist, die primär zur Verdichtung dienen und mit der Umgebung in Verbindung stehen.
    • Lösung
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch einen Hochdruck-Verdichter zur Verdichtung eines Gases oder Gasgemischs gelöst, aufweisend ein Gehäuse, das mindestens einen ersten Verdichterraum und eine Medienkammer umgibt, wobei der mindestens eine erste Verdichterraum und die Medienkammer in dem Gehäuse über mindestens eine erste Membran voneinander getrennt sind, wobei das Gehäuse mindestens einen ersten Anschluss aufweist, der in die Medienkammer mündet und über den ein Medium in die Medienkammer ein- und/oder ausleitbar ist, wobei das Gehäuse mindestens einen zweiten Anschluss aufweist, der in den mindestens einen ersten Verdichterraum mündet und über den ein Gas oder Gasgemisch ein- und/oder ausleitbar ist, wobei die mindestens eine erste Membran aus einem polymerbasierten Werkstoff besteht und zur Verdichtung des in den mindestens einen ersten Verdichterraum einleitbaren Gases oder Gasgemischs durch Einleitung eines Mediums in die Medienkammer verformbar ist.
  • Der Hochdruck-Verdichter ist als Membranverdichter ausgebildet und bewirkt somit die Verdichtung des in die Medienkammer einleitbaren Gases oder Gasgemischs durch eine Verformung der mindestens einen ersten Membran. Vorteilhaft gegenüber Kolbenverdichtern weist ein solcher Membranverdichter keine Dichtung auf, die mit beweglichen Komponenten in Verbindung steht, so dass sich keine Dichtigkeitsprobleme ergeben. Die mindestens eine erste Membran kann bspw. im Gehäuse dicht verbaut sein, wobei mehrere dichtende Mittel vorgesehen sein können. Bspw. kann die mindestens eine erste Membran zwischen zwei Platten verspannt sein, wobei zwischen den Platten des Gehäuses die mindestens eine erste Membran aus polymerbasierten Werkstoff angeordnet ist, welche selbst als "Dichtungsring" aufgrund ihrer Werkstoffeigenschaften dient.
  • Der Hochdruckverdichter ist so ausgebildet, dass die mindestens eine erste Membran in einer ersten Stellung in Anlage mit der Innenwand des mindestens einen ersten Verdichterraums steht. Somit umfasst der Raum, der zum Einleiten des Gases oder Gasgemischs zur Verfügung steht, sowohl die Medienkammer als auch den mindestens einen ersten Verdichterraum. Das gesamte Volumen des Hochdruckverdichters steht somit für die Verdichtung zur Verfügung.
  • Nach dem Einleiten eines Gases oder Gasgemisches über den mindestens einen zweiten Anschluss wird die Zufuhr unterbrochen und die Leitung abgeriegelt. Dann erfolgt die Kompression, wobei ein inkompressibles Medium (z.B. Wasser, (Hydraulik)-Öl, etc.) über den mindestens einen ersten Anschluss in die Medienkammer eingeleitet wird. Der Druck, der über das Medium auf die mindestens eine erste Membran ausgeübt wird, entspricht dem Druck auf der Seite des Gases oder Gasgemischs, so dass eine im wesentliche differenzdrucklose Kompression innerhalb des Gehäuses des Hochdruckverdichters durchgeführt wird. Das bedeutet, dass der auf die mindestens eine erste Membran innerhalb des Gehäuses wirkende Druck auf beiden Seiten gleich groß ist.
  • Bei der Kompression des Gases oder Gasgemischs, das in den mindestens einen ersten Verdichterraum eingeleitet worden ist, wird der Druck auf die mindestens eine erste Membran von Seiten der Medienkammer durch das inkompressible Medium erhöht, so dass es zu einer Verformung der mindestens einen ersten Membran in Richtung des mindestens einen ersten Verdichterraums kommt, was dann zu einer Verdichtung des in dem mindestens einen ersten Verdichterraum aufgenommenen Gases oder Gasgemischs führt.
  • Die mindestens eine erste Membran kann über das inkompressible Medium soweit verformt werden, bis die mindestens eine erste Membran vollständig oder fast vollständig an einer Innenwand des mindestens einen ersten Verdichterraums anliegt. Damit wird eine hohe Verdichtung erreicht, weil das Gas oder Gasgemisch im Wesentlichen um das gesamte Volumen des mindestens einen ersten Verdichterraums komprimiert werden kann. Gegenüber bekannten Vorrichtungen wird somit eine höhere Verdichtung erzielt.
  • Die Verformung der mindestens einen ersten Membran kann durch ein Dehnen der Membran erfolgen, wobei hierzu die Membran im Hinblick auf ihren Aufbau und/oder innere Struktur entsprechend gestaltet ist, damit die erforderliche Verformung erreicht wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus Weiterbildungen, welche durch die Unteransprüche definiert sind.
  • Dabei können in weiteren Ausführungen der Verdichterraum und die Medienkammer im Wesentlichen gleiche Volumina aufweisen.
  • In weiteren Ausführungen können der mindestens eine erste Verdichterraum und/oder die Medienkammer im Wesentlichen die Form eines Kugelsegments aufweisen und die mindestens eine erste Membran die Grundfläche des Kugelsegments bilden. Dabei sind die entsprechenden Innenwände des mindestens einen ersten Verdichterraums und der Medienkammer im Wesentlichen konkav ausgebildet und weisen somit eine gewölbte Innenseite auf. An die gewölbten Innenwände kann sich dann bspw. die mindestens eine erste Membran anlegen, wobei nach einer vollständigen Verformung der mindestens einen ersten Membran diese flächig mit der entsprechenden Innenwand des mindestens einen ersten Verdichterraums in Kontakt steht. Das komprimierte Gas oder Gasgemisch kann dann in mindestens einen Kanal im Gehäuse gedrückt werden, der mit dem zweiten Anschluss in Verbindung steht.
  • In noch weiteren Ausführungen kann die im Wesentlichen konkav geformte Innenwand des mindestens einen ersten Verdichterraums zum Zentrum verlaufende Rillen oder ähnliches aufweisen, deren Tiefe und Breite zu- bzw. abnehmen kann, damit beim schrittweisen Verdichten durch Verformung der mindestens einen ersten Membran das komprimierte Gas oder Gasgemisch in die Rillen oder ähnliches gedrückt und von dort nach einer vollständigen Verformung der mindestens einen Membran ausgeleitet wird, wobei damit dem Umstand Rechnung getragen wird, dass die mindestens eine erste Membran im vollständig verformten Zustand an der Innenwand des mindestens einen ersten Verdichterraums anliegt.
  • Die mindestens eine erste Membran kann soweit verformbar sein, dass diese aus einer Ausgangsstellung in Anlage mit der Innenwand des mindestens einen ersten Verdichterraums und/oder der Medienkammer kommt.
  • In weiteren Ausführungen kann der Hochdruck-Verdichter einen zweiten Verdichterraum aufweisen, der über eine zweite Membran von der Medienkammer getrennt ist, wobei die Medienkammer zwischen dem ersten Verdichterraum und dem zweiten Verdichterraum angeordnet ist, und wobei das Gehäuse mindestens einen vierten Anschluss aufweist, der in den zweiten Verdichterraum mündet und über den ein Gas oder Gasgemisch ein- und/oder ausleitbar ist. In solchen Ausführungen werden die beiden Membranen gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen zum Verdichten eines in den ersten Verdichterraum und in den zweiten Verdichterraum eingeleiteten Gases oder Gasgemischs verformt. Hierzu wird ein inkompressibles Medium in die Medienkammer geleitet.
  • Die zweite Membran kann analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungen ausgebildet sein. Es können dabei in den verschiedenen Ausführungen die Membranen und die zugehörigen ersten und zweiten Verdichterräume jeweils gleich ausgebildet und aufgebaut sein.
  • In weiteren Ausführungen kann das Gehäuse des Hochdruck-Verdichters schichtartig aufgebaut sein und mindestens
    • einen ersten Verdichterkopf mit dem ersten Verdichterraum und einen zweiten Verdichterkopf mit der Medienkammer aufweisen, wobei zwischen dem ersten Verdichterkopf und dem zweiten Verdichterkopf die erste Membran angeordnet ist, oder
    • einen ersten Verdichterkopf mit dem ersten Verdichterraum, eine Zwischenplatte mit der Medienkammer und einen dritten Verdichterkopf mit dem zweiten Verdichterraum aufweisen, wobei zwischen dem ersten Verdichterkopf und der Zwischenplatte die erste Membran und zwischen der Zwischenplatte und dem dritten Verdichterkopf die zweite Membran angeordnet sind.
  • Der Schichtaufbau stellt einen einfachen Aufbau des Hochdruck-Verdichters bereit. Zudem ist der Zusammenbau des Hochdruck-Verdichters einfach durchführbar. So können bspw. die einzelnen Schichten über Schrauben oder ähnliches miteinander befestigt sein, wobei die Schrauben oder ähnliches durch Bohrungen in den jeweiligen Schichten geführt sind. Weiterhin bietet der Schichtaufbau die Möglichkeit, die Membranen zwischen den einzelnen Schichten zu verspannen und den Innenraum des Gehäuses absolut gasdicht zu gestalten.
  • In weiteren Ausführungen können die mindestens eine erste Membran und/oder die zweite Membran eine größere flächenmäßige Erstreckung aufweisen als ein maximaler Durchmesser des mindestens einen ersten Verdichterraums, der Medienkammer und/oder des zweiten Verdichterraums. Damit kann die mindestens eine erste Membran flächig zwischen einzelnen Schichten des Gehäuses angeordnet werden und stellt zudem noch eine Dichtung bereit. Somit kann auf separate Dichtmittel verzichtet werden.
  • In weiteren Ausführungen kann die mindestens eine erste Membran aus einem Elastomer bestehen. Wobei das Elastomer ein Ethylen-Propylen-Dien-Monomer oder Fluorkarbon-Kautschuk sein kann. Derartige Materialien eignen sich insbesondere für den Hochdruck-Verdichter im Einsatz bei brennbaren Gasen und Gasgemischen, da diese ausreichende Eigenschaften aufweisen, die sowohl eine Diffusion von Gas oder Gasgemisch verhindern als auch durch das Gas oder Gasgemisch nicht beschädigt oder zerstört werden.
  • Allgemein ergibt sich durch die Verformbarkeit der mindestens einen ersten Membran der Vorteil, dass gegenüber einfachen, scheibenartigen Membranen eine größere Auslenkung erreicht werden kann. Somit kann bei einem geringen Bauraum eine deutlich erhöhte Verdichtung eines Gases oder Gasgemischs erreicht werden, insbesondere gegenüber scheibenartigen, nicht verformbaren Membranen. Die größere Auslenkung der mindestens einen ersten Membran erlaubt es auch, die Frequenz der mindestens einen ersten Membran, d.h. die Bewegungen der mindestens einen ersten Membran in die entsprechenden Richtungen zum Verdichten, zu reduzieren, wobei die Leistung in Bezug auf die bereitgestellte Menge an verdichteten Gas bzw. Gasgemisch mindestens genauso groß ist, wie bei einer vergleichbaren, nicht verformbaren Membran. Geringere Frequenzen wirken sich insbesondere positiv auf die Lebensdauer der mindestens einen ersten Membran und somit des Hochdruck-Verdichters aus. Die Verformbarkeit der mindestens einen ersten Membran kann bspw. durch eine strukturierte Ausbildung der mindestens einen ersten Membran unterstützt werden, wobei die Membran Veränderungen in ihrer Zusammensetzung oder konstruktive Gestaltungsmerkmale (z.B. Rillen und Sicken - "Lautsprecher") aufweist.
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch durch ein Verdichtersystem zur Hochdruckverdichtung eines Gases oder Gasgemischs gelöst, aufweisend mindestes einen Hochdruck-Verdichter gemäß einer der vorstehend angegebenen Ausführungen, einen Gas oder Gasgemisch-Vorrat, ein Gas oder Gasgemisch-Lager, einen Medienvorrat und Fördermittel zum Fördern eines Gas oder Gasgemischs sowie eines inkompressiblen Mediums und Steuermittel zur Regelung des Durchflusses des Gas oder Gasgemischs und des inkompressiblen Mediums über zugehörige Leitungen, wobei
    • der Hochdruck-Verdichter ein Gehäuse aufweist, das mindestens einen ersten Verdichterraum und eine Medienkammer umgibt, wobei der mindestens eine erste Verdichterraum und die Medienkammer in dem Gehäuse über mindestens eine erste Membran voneinander getrennt sind,
    • der Hochdruck-Verdichter mindestens einen ersten in eine Medienkammer mündenden Anschluss aufweist,
    • der erste Anschluss mit dem Medienvorrat über zugehörige Leitungen und korrespondierende Förder- und/oder Steuermittel verbunden ist, so dass ein inkompressibles Medium aus dem Medienvorrat über den ersten Anschluss in die Medienkammer und aus der Medienkammer in den Medienvorrat einbringbar ist,
    • der Hochdruck-Verdichter mindestens einen zweiten in den Verdichterraum mündenden Anschluss aufweist,
    • der mindestens eine zweite Anschluss mit dem Gas oder Gasgemisch-Vorrat und dem Gas oder Gasgemisch-Lager über zugehörige Leitungen und korrespondierende Förder- und/oder Steuermittel verbunden ist, so dass ein Gas oder Gasgemisch aus dem Gas oder Gasgemisch-Vorrat in den ersten Verdichterraum und aus dem ersten Verdichterraum in das Gas oder Gasgemisch-Lager einbringbar ist, und
    • das inkompressible Medium über zugehörige Förder- und/oder Steuermittel mit Druck beaufschlagbar ist, so dass eine Verformung der mindestens einen ersten Membran und hierüber eine Komprimierung des in dem mindestens einen ersten Verdichterraums aufgenommenen Gas oder Gasgemischs erreichbar ist, wozu Leitungen zu und von dem Gas oder Gasgemisch-Vorrat, dem Gas oder Gasgemisch-Lager und dem Medienvorrat über korrespondierende Steuermittel abschließbar sind.
  • Das System bietet die Möglichkeit zur Hochdruck-Verdichtung eines Gases oder Gasgemischs mit mindestens einem Hochdruckverdichter, der durch die große Auslenkung der mindestens einen ersten Membran geringere Lastwechsel benötigt, um im Vergleich zu einem konventionellen Verdichter die gleiche Menge an Gas zu verdichten, wobei hierzu die Förder- und Steuermittel ebenso reduzierte Förder- und Steuerzyklen aufweisen. Damit lässt sich das System einfacher ausbilden. Auch die Steuerung des Systems lässt sich damit vereinfachen.
  • In einer Vorteilhaften Ausgestaltung des Verdichtersystems kann die Druckbeaufschlagung des Mediums innerhalb der mindestens einen Medienkammer über die Fördermittel ausgeführt werden, welcher das inkompressible Medium in die mindestens eine Medienkammer fördern. Die Fördermittel sind bspw. als Kolben und/oder als Pumpe ausgeführt. Besonders vorteilhaft ist, wenn ein Fördermittel als Pumpe ausgeführt ist, dass der Kolben vollständig entfallen kann. Bei derartig vorteilhafter Ausgestaltung kann ein System ohne Kolben als Förder- und/oder Druckbeaufschlagungsmittel zum Einsatz kommen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann der Medienkreislauf und das darüber geführt und geförderte Medium zumindest im Bereich des mindestens einen ersten Anschluss beheizbar und/oder klimatisierbar. Vorteilhaft wird so eine Viskosität des inkompressiblen Mediums erreicht, um beim Einströmen in die mindestens eine Medienkammer über den mindestens einen ersten Anschluss keinen Gegendruck auf die Fördermittel zu erzeugen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen zeigt:
    • Fig. 1
    eine Explosionszeichnung eines Hochdruck-Verdichters einer ersten Ausführungsform;
    Fig. 2
    verschiedene Ansichten eines ersten und zweiten Verdichterkopfs des Hochdruck-Verdichters von Fig. 1;
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung eines Verdichtersystems mit einem Hochdruck-Verdichter gemäß Fig. 1;
    Fig. 4-7
    verschiedene Schritte der Hochdruckverdichtung in dem Verdichtersystem gemäß Fig. 3;
    Fig. 8
    eine Explosionszeichnung eines Hochdruck-Verdichters einer zweiten Ausführungsform;
    Fig. 9
    verschiedene Ansichten einer Zwischenplatte des Hochdruck-Verdichters von Fig. 8;
    Fig. 10
    eine schematische Darstellung eines Verdichtersystems mit einem Hochdruck-Verdichter gemäß Fig. 8;
    Fig. 11-14
    verschiedene Schritte der Hochdruckverdichtung in dem Verdichtersystem gemäß Fig. 10;
    Fig. 15
    schematische Darstellungen von bespielhaften Ausführungen einer ersten und/oder einer zweiten Membran für einen Hochdruck-Verdichter; und
    Fig. 16
    ein schematisches Diagramm zur Hochdruckverdichtung in einem Verdichtersystem.
  • In den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehene Elemente entsprechen im Wesentlichen einander, sofern nichts anderes angegeben ist. Darüber hinaus wird darauf verzichtet, Bestandteile zu zeigen und zu beschreiben, welche nicht wesentlich zum Verständnis der hierin offenbarten technischen Lehre sind. Im Weiteren werden nicht für alle bereits eingeführten und dargestellten Elemente die Bezugszeichen wiederholt, sofern die Elemente selbst und deren Funktion bereits beschrieben wurden oder für einen Fachmann bekannt sind.
    • Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • In den Figuren sind Ausführungsbeispiele eines Hochdruck-Verdichters 100, von Verdichtersystemen 500 und Verfahren zur Hockdruckverdichtung in einem Verdichtersystem 500 gezeigt, welche nachfolgend beispielhaft beschrieben werden, wobei es sich um mögliche Ausführungen der hierin offenbarten technischen Lehre handelt. Die gezeigten und nachfolgend beschriebenen Ausführungen sind daher nicht limitierend und können zusätzlich hierin angegebene Merkmale oder angegebene Alternativen aufweisen. Auch können Merkmale der einzelnen Ausführungsformen auch wechselseitig vorgesehen sein, auch wenn diese nur für eine der Ausführungsformen beschrieben sind, sofern sich diese auch dafür eignen.
    • Erste Ausführungsform
  • Fig. 1 zeigt eine Explosionszeichnung eines Hochdruck-Verdichters 100. Der Hochdruck-Verdichter 100 kann bspw. dazu dienen, um ein Gas, wie bspw. Wasserstoff (H2), oder ein Gasgemisch zu komprimieren. Es erfolgt hierbei eine Hochdruckverdichtung des Gases. Bei einer Hochdruckverdichtung wird in diesem Zusammenhang bei Drücken ab ca. 40 bar gesprochen.
  • Herkömmliche Hochdruckverdichter weisen einen verschiebbar gelagerten Kolbenkopf auf, um die hohen Drücke erzeugen zu können. Dabei wird der Kolbenkopf innerhalb einer zylindrischen Röhre um eine verhältnismäßig große Wegstrecke bewegt, um die hohe Komprimierung des Gases zu erreichen.
  • Der hierin beschriebene Hochdruck-Verdichter 100 weist gegenüber bekannten Hockdruckverdichtern den Vorteil auf, dass die Vorrichtung verhältnismäßig klein baut und zudem keine beweglichen Komponenten vorgesehen sind, die mit der Umgebung in Verbindung stehen und primär die Hochdruckverdichtung bewirken. Daher wird eine gasdichte Ausführung gewährleistet. Zudem kommt es zu keinem Abrieb und damit zu keiner Zerstörung von Dichtmitteln wie im Stand der Technik, weil keine Dichtungen erforderlich sind und die Membran 200 selbst als Dichtung dient. Die zur Verdichtung eines Gases vorgesehene Komponente in Form einer aus einem polymerbasierten Werkstoff bestehenden ersten Membran 200 ist innerhalb eines Gehäuses 120 des Hochdruck-Verdichters 100 angeordnet und steht daher mit der Umgebung nicht in Kontakt.
  • Der Hochdruck-Verdichter 100 von Fig. 1 weist ein Gehäuse 120 auf, das einen ersten Verdichterkopf 300 und einen zweiten Verdichterkopf 400 aufweist. Die Verdichterköpfe 300 und 400 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel identisch ausgebildet, so dass Beschreibungen zu einem der Verdichterköpfe 300, 400 auch jeweils für den anderen Verdichterkopf 300, 400 gelten. In weiteren nicht dargestellten Ausführungsformen können die Verdichterköpfe 300, 400 aber auch Unterschiede zueinander, insbesondere in der Ausbildung und Anordnung von Anschlüssen etc., aufweisen.
  • Die Verdichterköpfe 300, 400 bestehen aus Metall oder einer Metalllegierung und weisen jeweils eine massiv ausgebildete Platte 310, 410 auf. Die Ausbildung der Verdichterköpfe 300, 400 ist in Fig. 2 gezeigt.
  • Als Material für die Verdichterköpfe 300, 400 kann bspw. ein Edelstahl bzw. eine Edelstahllegierung, wie z.B. eine Edelstahllegierung der Gruppe 316 L verwendet werden.
  • Die Verdichterköpfe 300, 400 weisen an den im zusammengebauten Zustand gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Verdichterraum 330 bzw. eine Medienkammer 430 auf. Dabei dient der Verdichterraum 330 zur Aufnahme eines Gases oder Gasgemischs, welches komprimiert wird. Die Medienkammer 430 dient zur Aufnahme eines Mediums, welches für die Verformung der Membran 200 zur Verdichtung des Gases oder Gasgemischs erforderlich ist.
  • Hierbei dienen der Verdichterraum 330 und die Medienkammer 430 in erster Linie dazu, dass in die Räume das Gas/Gasgemisch bzw. das Medium eingeleitet werden. Während der Hochdruckverdichtung kommt es insbesondere zu einer solchen Verlagerung der Membran 200, dass diese in Anlage mit den gegenüberliegenden Innenwänden des Verdichterraums 330 und der Medienkammer 430 kommt. Somit kann auch im durch den Verdichterraum 330 oder die Medienkammer 430 aufgespannten Raum innerhalb der Verdichterköpfe 300, 400 durch eine entsprechende Verformung der Membran 200 ein Gas/Gasgemisch oder ein Medium aufgenommen sein.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Verdichterraum 330 und die Medienkammer 430 konkav ausgebildet. Bei der Hochdruckverdichtung kann die elastisch verformbare Membran 200 soweit verformt werden, dass die Membran 200 im Wesentlichen vollflächig mit den Innenwänden des Verdichterraums 330 und der Medienkammer 430 in Anlage kommt.
  • Zwischen den Verdichterköpfen 300, 400 ist die Membran 200 angeordnet, die aus einem polymerbasierten Werkstoff besteht. Als Material eignen sich insbesondere Elastomere. In Fig. 15 sind mögliche Ausbildungen von solchen Membranen 200 gezeigt.
  • Bei der Hochdruckverdichtung wird die Membran 200 verformt, so dass diese schrittweise in Anlage mit den Innenwänden des Verdichterraums 330 oder der Medienkammer 430 kommt.
  • Die Ausbildung der Membran 200 ermöglicht es daher das gesamte Volumen innerhalb des Gehäuses 120 des Hochdruck-Verdichters 100, bestehend aus dem Verdichterraum 330 und der Medienkammer 430, für die Komprimierung eines Gases/Gasgemischs zu verwenden.
  • Damit lässt sich je nach Ausbildung des Hochdruck-Verdichters 100 und dessen Bestandteilen eine Anpassung des Verdichtungsverhältnisses von Gasen bzw. Gasgemischen erreichen. Insbesondere ist die Verformbarkeit der Membran 200 maßgeblich für die Verdichtung. Je größer die Verformbarkeit, desto größer ist die Verdichtung. Die Membran 200 kann eine Neutralstellung (Fig. 15) einnehmen und aus der Neutralstellung in beide Richtungen verformt werden.
  • Zur Verformung der Membran 200 für die Hochdruckverdichtung eines über den Verdichterraum 330 eingebrachten Gases/Gasgemischs wird über die Medienkammer 430 ein inkompressibles Medium unter Druck eingebracht. Damit wird erreicht, dass der Druck über das Medium auf die Membran 200 einen entsprechend hohen Druck auf das Gas/Gasgemisch ausübt, welches dann komprimiert bzw. verdichtet wird. Bspw. kann als inkompressibles Medium Wasser oder ein (Hydraulik)-Öl verwendet werden.
  • Sowohl der Verdichterraum 330 als auch die Medienkammer 430 weisen jeweils mindestens einen Anschluss 320, 420 auf, über welchen das Gas/Gasgemisch bzw. das Medium zu- und wieder abgeführt werden. In weiteren Ausführungen können separate Anschlüsse zum Zu- und Abführen des Gases/Gasgemisch bzw. des Mediums vorgesehen sein.
  • Die Zu- bzw. Abfuhr erfolgt zentral in den mittigen Bereich des Verdichterraums 330 bzw. der Medienkammer 430. Insbesondere der zweite Anschluss 320 zur Zufuhr von Gas/eines Gasgemischs kann so ausgebildet sein, dass ausgehend von einer zentralen Zufuhröffnung im zweiten Anschluss 320 an der Außenseite des Verdichterkopfs 300 der Anschluss 320 in eine Vielzahl von kleineren Kanälen übergeht, die gegenüber dem Eingangsdurchmesser einen geringen Durchmesser aufweisen. Diese Kanäle ragen dann über entsprechende Öffnungen in den Verdichterraum 330. Damit wird verhindert, dass es zu einer punktuellen, mittigen Belastung der Membran 200 beim Ein- /Ausströmen des Gases/Gasgemisch bzw. des Mediums kommt. Durch die Aufteilung des zentralen Einlasses in viele kleinere Kanäle wird die Belastung verteilt. Diese Öffnungen im Verdichterraum 330 und in der Medienkammer 430 können sich über einen Bereich erstrecken, der beispielsweise dem dreifachen Durchmesser des Anschlusses 320, 420 entspricht. Vorzugsweise können die Öffnungen dieser Kanäle nur in den Bereich münden, welcher die größte Tiefe in Bezug auf das Raumvolumen des Verdichterraums 330 bzw. der Medienkammer 430 aufweist.
  • Die Steuerung der Zu- und Abfuhr von Gas/Gasgemisch und des Mediums erfolgt über entsprechende Ventile.
  • Die Membran 200 selbst ist zwischen den gegenüberliegenden planen Flächen der Zylinderköpfe 300, 400 bzw. der Platten 310, 410 angeordnet. Die Membran 200 weist eine flächige Erstreckung auf, die größer ist wie die flächige Erstreckung des Verdichterraums 330 und der Medienkammer 430. Somit liegt die Membran 200 im verbauten Zustand an den Platten 310, 410 an.
  • Über Befestigungsmittel 110 sind die beiden Zylinderköpfe 300, 400 und die dazwischen angeordnete Membran 200 miteinander verbunden. Die Platten 310, 410 und die erste Membran 200 weisen durchgängige Öffnungen 314, 414, 220 auf, durch welche Gewindestangen 112 geführt sind. Über Muttern 114 und Unterlegscheiben 116 lassen sich die Zylinderköpfe 300, 400 und die Membran 200 miteinander verbinden und die Membran 200 verspannen. Damit wird eine Abdichtung des Verdichterraums 330 und der Medienkammer 430 gegenüber der Umwelt erreicht. Aufgrund des Materials der ersten Membran 200 wird im Bereich der Anlageflächen zwischen den Verdichterköpfen 300, 400 und der ersten Membran 200 zusätzlich eine Abdichtung erreicht. Es können ferner auch Strukturen in den Anlageflächen der Verdichterköpfe 300, 400 vorgesehen sein, die im verbundenen Zustand die Membran 200 teilweise verformen, um hierüber die gasdichte Ausführung des Hochdruck-Verdichters 100 weiter zu verbessern.
  • Fig. 2 zeigt verschiedene Ansichten eines ersten und zweiten Verdichterkopfs des Hochdruck-Verdichters von Fig. 1. Zwischen den Öffnungen 314, 414 befinden sich Wände 312, 412. Die Ausbildung der Verdichterköpfe 300, 400 ist derart gewählt, dass diese um den Verdichterraum 330 und die Medienkammer 430 herum eine ausreichend große Wandstärke aufweisen.
  • Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verdichtersystems 500 mit einem Hochdruck-Verdichter 100 gemäß der Ausführung von Fig. 1.
  • In weiteren nicht dargestellten Ausführungen kann ein Verdichtersystem 500 auch mit einer Abwandlung des in Fig. 1 gezeigten Hochdruck-Verdichters 100 betrieben werden, der unter die hierin beschriebene technische Lehre fällt. Schließlich kann ein Verdichtersystem 500 grundsätzlich auch mehrere Hochdruck-Verdichter 100 aufweisen, die bspw. parallel oder in Reihe geschaltet sind.
  • Das Verdichtersystem 500 weist neben dem Hochdruck-Verdichter 100 Leitungen und Steuereinrichtungen sowie Ventile und einen Kolben 510 sowie einen Tank 514 auf, in dem ein inkompressibles Medium aufgenommen ist. Der Tank 514, der Kolben 510 und eine Pumpe 512 sind Teil eines Medienkreislaufs, der wiederum Bestandteil des Verdichtersystems 500 ist.
  • Das Verdichtersystem 500 weist einen Gas- oder Gasgemisch-Kreislauf auf, der neben den Leitungen für die Zu- und Abfuhr des Gases oder Gasgemischs Steuereinrichtungen, Ventile, einen Vorrat 520, in dem das Gas oder Gasgemisch für die Hochdruckverdichtung bevorratet wird, und eine Anbindung an eine beliebige Anwendung 530 auf.
  • Das Verdichtersystem 500 weist ferner Überdruckventile auf, die bei Überschreiten von kritischen, einstellbaren Drücken im System einen Gasaustritt in die Atmosphäre ermöglichen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel des Verdichtersystems 500 erfolgt eine Verdichtung von eines Gases oder Gasgemischs von einem Druck von mindestens 10 bar im Vorrat 520 bis auf maximal 1000 bar, so dass der Anwendung 530 ein Gas oder Gasgemisch mit einem Druck von maximal 1000 bar zur Verfügung gestellt wird.
  • Der Verdichtungsablauf in dem Verdichtersystem 500 über den Hochdruck-Verdichter 100 ist in den Fig. 4-7 gezeigt und wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 4-7 beschrieben.
    • Füllen des Hochdruck-Verdichters 100 (Fig. 4)
  • Die Gas-Seite bzw. der Verdichterraum 330 des Verdichterkopfs 300 wird mit Gas aus dem Vorrat 520 gefüllt. Hierzu wird das Ventil vom Vorrat 520 und ein Ventil 522 geöffnet, so dass über den zweiten Anschluss 320 eine Gaszufuhr in den Verdichterraum 330 erfolgt. In dem Vorrat 520 ist Gas mit einem Druck von etwa 10 bar gespeichert. Die Membran 200 wird dabei Richtung Wasser-Seite also in Richtung der Medienkammer 430 ausgelenkt und die Pumpe 512 im Medienkreislauf pumpt für diesen Schritt das Medium (Wasser) zurück in den Tank 514, der als Vorratsbehälter für das Wasser dient.
  • Eine Entlastungsleitung des Medienkreislaufs vom Zylinder des Kolbens 510 ist geöffnet und durch den höheren Druck auf der Gas-Seite (verdichterraumseitig) wird die Membran 200 vollständig an die Innenwand der Medienkammer 430 des Verdichterkopfs 400 angelegt sowie der Kopf des Kolbens 510 in seine Ausgangslage bewegt.
    • Hub in die Anwendung (Fig. 5)
  • Das Einlass-Ventil 522 der Gas-Seite wird geschlossen und das Ventil 526 zur Anwendung 530 geöffnet. Parallel dazu wird im Medienkreislauf der Kreislauf zurück in den Tank 514 sowie die Entlastungsleitung geschlossen und das Wasser in die hintere Seite des Zylinders des Kolbens 510 gedrückt, wodurch mehr Volumen über die Wasser-Seite des Hochdruck-Verdichters 100 in den Verdichterkopf 400 gefördert wird. Diese Volumenänderung sorgt für eine Komprimierung des Gases auf der Gas-Seite und damit zu einer Druckerhöhung in der Anwendung 530.
    • Schritt 1 zur Druckentlastung des Hochdruck-Verdichters 100 (Fig. 6)
  • Das Ventil 526 zur Gas-Anwendung 530 wird geschlossen. Der Wasserkreislauf im Medienkreislauf zurück in den Tank 514 wird geöffnet und parallel dazu die Entlastungsleitung in den Tank 514. Durch den anliegenden Druck auf der Gas-Seite des Hochdruck-Verdichters 100 wird der Kopf des Kolbens 510 in Abhängigkeit vom vorherrschenden Druck ein Stück in seine Ausgangslage zurückgedrückt und das entweichende Wasser im Tank 514 aufgefangen.
    • Schritt 2 zur Druckentlastung des Hochdruck-Verdichters 100 (Fig. 7)
  • Die Entlastungsleitung zum Tank 514 bleibt geöffnet und die Pumpe 512 pumpt weiter in den Tank 514 zurück. Das Ventil 524 zur Druckentlastung auf der Gas-Seite wird geöffnet und der Druck kann sich aufgrund der kleinen Volumina recht schnell abbauen bzw. die Membran 200 weiter Richtung Wasser-Seite auslenken.
  • Anschließend kann das Ventil 522 wieder geöffnet und das Ventil 524 zur Druckentlastung geschlossen werden, um eine erneute Gaszufuhr in den Verdichterraum 330 des Zylinderkopfs 300 und eine Hochdruckverdichtung durchzuführen.
    • Zweite Ausführungsform
  • Fig. 8 zeigt eine Explosionszeichnung eines Hochdruck-Verdichters 100 einer zweiten Ausführungsform. Der Hochdruck-Verdichter 100 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten Hochdruck-Verdichter 100 darin, dass der Hochdruck-Verdichter 100 anstelle eines zweiten Verdichterkopfs 400 eine Zwischenplatte 600, einen dritten Verdichterkopf 700 und zusätzlich eine zweite Membran 200 aufweist.
  • Der dritte Verdichterkopf 700 ist identisch ausgebildet wie der erste Verdichterkopf 300. Der dritte Verdichterkopf 700 weist anstelle einer Medienkammer 430 wie der zweite Verdichterkopf 400 einen zweiten Verdichterraum 730 auf, in welchen ein Gas oder Gasgemisch über einen dritten Anschluss 610 zu- und abgeführt werden kann. Der dritte Anschluss 610 kann genauso ausgeführt sein wie der zweite Anschluss 320. Die Zufuhr an Gas/Gasgemisch erfolgt in den Hochdruck-Verdichter 100 der zweiten Ausführungsform über den zweiten Anschluss 320 und den dritten Anschluss 610 gemeinsam.
  • Die zweite Membran 200 und die erste Membran 200 sind identisch ausgebildet, wobei die erste Membran 200 zwischen dem ersten Verdichterkopf 300 und der Zwischenplatte 600 und die zweite Membran 200 zwischen der Zwischenplatte 600 und dem dritten Verdichterkopf 700 angeordnet sind. Die einzelnen Bestandteile des Gehäuses 120 werden analog zu der ersten Ausführungsform über Befestigungsmittel 110 zueinander gehalten und verspannt. Dabei gelangen die Membranen 200 flächig in Anlage mit den Flächen des ersten Verdichterkopfs 300, der Zwischenplatte 600 und dem dritten Verdichterkopf 700, welche die Verdichterräume 330, 730 und die Medienkammer 620 umgeben.
  • Die Zwischenplatte 600 weist, wie in verschiedenen Ansichten in Fig. 9 gezeigt, eine zylindrische, scheibenförmige Medienkammer 620 auf, in welche über zwei gegenüberliegende dritte Anschlüsse 610 ein inkompressibles Medium, z.B. Wasser oder (Hydraulik)-Öl, eingebracht und abgeführt werden kann. Über eine entsprechende Ansteuerung und Ventile kann die Zu- und Abfuhr des inkompressiblen Mediums auch über die beiden dritten Anschlüsse 610 derart erfolgen, dass einer der beiden dritten Anschlüsse 610 nur zur Medienzufuhr und der andere dritte Anschluss 610 nur zur Medienabfuhr dient.
  • Die Zwischenplatte 600 weist zusätzlich Öffnungen 630 auf, durch welche Gewindestangen 112 geführt werden können, um die Verdichterköpfe 300, 700, die Zwischenplatte 600 und die Membranen 200 miteinander zu verbinden.
  • Die Zwischenplatte 600 besteht aus dem gleichen Material wie die Verdichterköpfe 300, 400 und 700.
  • Die Membranen 200 können dabei über eingebrachtes Medium soweit verformt werden, dass die Membranen 200 vollständig in Anlage mit den Innenseiten der Verdichterräume 330, 730 gelangen, um in die Verdichterräume 330, 730 eingebrachtes Gas/Gasgemisch zu verdichten. Hierzu wird ein Medium in die Medienkammer 620 eingebracht. Zum Entlüften der Verdichterräume 330, 730 und/oder beim Einbringen von Gas/Gasgemisch in die Verdichterräume 330, 730 können die Membranen 200 soweit verlagert werden, dass diese in die Medienkammer 620 eintauchen und aneinander anliegen. Damit steht für die Hochdruck-Verdichtung der gesamte verfügbare Innenraum des Gehäuses 120 zur Verfügung und es kann analog zur in Fig. 1 beschriebenen ersten Ausführungsform eine hohe Verdichtung erzielt werden. Der Hochdruck-Verdichter 100 der zweiten Ausführungsform weist dabei im Wesentlichen ein zweimal so großes Volumen für die Verdichtung auf wie der Hochdruck-Verdichter 100 der ersten Ausführungsform.
  • Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Verdichtersystems 500 mit einem Hochdruck-Verdichter 100 der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 8.
  • Im Unterschied zum Verdichtersystem 500 der Fig. 3 bis 7 erfolgt die Gaszufuhr über das Ventil 522 in die beiden Verdichterräume 330, 730 gemeinsam. Das Gas wird über die Anschlüsse 320, 720 zugeführt. Das Ausbringen des verdichteten Gases erfolgt über weitere Anschlüsse, die mit den Verdichterräumen 330, 730 in Verbindung stehen und bspw. entsprechend den Anschlüssen 320, 720 ausgebildet sind. Dabei wird das komprimierte Gas auch gemeinsam abgeführt.
  • Die Fig. 11-14 zeigen verschiedene Schritte der Hochdruckverdichtung in dem Verdichtersystem gemäß Fig. 10, wobei die Verdichtungsschritte denen des Verdichtersystems 500 aus den Fig. 3 bis 7 entsprechen.
    • Füllen des Hochdruck-Verdichters 100 (Fig. 11)
  • Die Gas-Seite bzw. die Verdichterräume 330, 730 der Verdichterköpfe 300, 700 des Hochdruck-Verdichters 100 werden mit Gas aus dem Vorrat 520 gefüllt. Hierzu wird das Ventil vom Vorrat 520 und das Ventil 522 geöffnet, so dass über den zweiten Anschluss 320 und den vierten Anschluss 720 eine Gaszufuhr in die Verdichterräume 330, 730 erfolgt. In dem Vorrat 520 ist Gas mit einem Druck von mindestens 10 bar gespeichert.
  • Durch das Einbringen von Gas in die Verdichterräume 330, 730 werden die Membranen 200 Richtung Wasser-Seite, also in Richtung der Medienkammer 620, ausgelenkt und die Pumpe 512 im Medienkreislauf pumpt das Medium (z.B. Wasser oder Öl) durch den Zylinder des Kolbens 510 und durch die Medienkammer 620, wobei der Druck über ein Domventil 540 an die Gas-Seite im Gaskreislauf gekoppelt ist. Damit sind die Membranen 200 in diesem Zustand differenzdrucklos und damit in keine der beiden Seiten ausgelenkt. Die ständige Durchströmung des vorderen Teils des Zylinders des Kolbens 510 sorgt für einen ständigen Wärmeaustausch des Wassers, womit ein Temperatureinfluss auf ein Hydraulikmedium zum Betätigen des Zylinders des Kolbens 510 vernachlässigt werden kann.
    • Hub in die Anwendung (Fig. 12)
  • Das Einlass-Ventil 522 der Gas-Seite wird geschlossen und das Ventil 526 zur Anwendung 530 geöffnet. Parallel dazu wird im Medienkreislauf der Kreislauf durch die vordere Seite des Zylinders des Kolbens 510 geschlossen und das Wasser in die hintere Seite des Zylinders gedrückt, wodurch mehr Volumen über die Wasser-Seite des Hochdruck-Verdichters 100 in die Medienkammer 620 gefördert wird. Diese Volumenänderung sorgt für eine Komprimierung des Gases auf der Gas-Seite und damit zu einer Druckerhöhung in der Anwendung 530.
    • Schritt 1 zur Druckentlastung des Hochdruck-Verdichters 100 (Fig. 13)
  • Das Ventil 526 zur Gas-Anwendung 530 wird geschlossen. Der Wasserkreislauf im Medienkreislauf durch den vorderen Teil des Zylinders wird geöffnet und parallel dazu eine Entlastungsleitung in den Tank 514. Durch den über das Domventil 540 anliegenden Druck im vorderen Teil des Zylinders wird der Kopf des Kolbens 510 in seine Ausgangslage zurückgedrückt und das entweichende Wasser im Tank 514 aufgefangen.
    • Schritt 2 zur Druckentlastung des Hochdruck-Verdichters 100 (Fig. 14)
  • Der vordere Teil des Zylinders wird weiterhin mit Wasser durchströmt und auch die Entlastungsleitung zum Tank 514 bleibt geöffnet. Ein Ventil 524 zur Druckentlastung auf der Gas-Seite wird geöffnet und der Druck kann sich aufgrund der kleinen Volumina recht schnell abbauen.
  • Für eine erneute Hochdruckverdichtung von Gas wird die Gaszufuhr vom Vorrat 520 geöffnet und das Ventil 524 zur Druckentlastung geschlossen. Ebenso wird die Entlastungsleitung vom Zylinder des Kolbens 510 geschlossen.
  • Die Abläufe zur Hochdruckverdichtung in den Verdichtersystemen 500 unterscheiden sich daher nur unwesentlich.
  • Fig. 15 zeigt schematische Darstellungen von bespielhaften Ausführungen einer ersten Membran 200 und/oder einer zweiten Membran 200 für einen Hochdruck-Verdichter 100 der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform.
  • Die erste Membran 200 und die zweite Membran 200 können in den verschiedenen Ausführungen bspw. so ausgebildet sein, wie in Fig. 15 gezeigt.
  • In einer ersten Ausführungsart sind die erste Membran 200 und die zweite Membran 200 scheibenförmig ausgebildet. Der Durchmesser der Membranen 200 ist größer als der Durchmesser der Verdichterräume 330, 730 und der Medienkammern 430, 620, so dass die Membranen 200 je nach Ausführungsform flächig in Anlage mit den Kontaktflächen der Verdichterköpfe 300, 400, 700 und der Zwischenplatte 600 kommen.
  • Durch die Öffnungen 220 der Membranen 200 werden die Verbindungselemente, in den gezeigten Ausführungen Gewindestangen 112, hindurchgeführt. Die Membranen 200 bestehen aus einem polymerbasierten Material und weisen daher "gummiartige" Eigenschaften auf. Die Eigenschaften lassen sich durch eine entsprechende Auswahl der verwendeten Polymere, der Dicke der Membranen 200 und weiteren Zusätzen maßgeblich je nach Anwendungsfall anpassen. Die "gummiartigen" Eigenschaften erlauben es, die Membranen 200 soweit zu verlagern, dass diese vollständig in Anlage mit den Innenwänden der Verdichterräume 330, 730 und der Medienkammern 430, 620 gelangen. Zudem ermöglicht diese Eigenschaft eine zusätzliche Abdichtung des Innenraums des Hochdruck-Verdichters 100. Die Kontaktflächen der entsprechenden Komponenten (Verdichterköpfe 300, 400, 700, Zwischenplatte 600) können zusätzlich Aufnahmevertiefungen für die Membranen 200 aufweisen, so dass abseits der Membranen diese Komponenten direkt in Anlage miteinander stehen.
  • Aufgrund der im wesentlichen differenzdrucklosen Verdichtung, d.h. dass der Druck von beiden Seiten auf die Membranen 200 bei der Verdichtung stets gleich groß ist, können einfache Polymermembranen verwendet werden, wobei es zu keiner Beschädigung der Membranen 200 kommt.
  • Die untere Darstellung von Fig. 15 zeigt sowohl eine Membran 200, die eine rechteckige Form aufweist, als auch eine Membran, die einen runde Form, aufweist. Die Form der Membran 200 ist nicht auf die gezeigten Ausführungen beschränkt. Weitere Formen umfassen polygonale Ausführungen (z.B. sechs-, acht-, zehn-, zwölf-eckig etc. oder entsprechend ungerade Polygone). Wesentlich für die hierin beschriebene Lehre ist es, dass die Membran 200 über einen festlegbaren Mindestabschnitt die Öffnungen in den Verdichterköpfen 300, 400, 700 und der Zwischenplatte 600 im Bereich der Verdichterräume 330, 730 und der Medienkammern 430, 620 überragt und dieser Bereich in den gezeigten Ausführungen innerhalb der Befestigungsabschnitte (Öffnungen 220) liegt.
  • In einer ersten Ausführung des Verdichtersystems und einer zweiten Ausführung des Verdichtersystems können das Ventil 522 und das Ventil 524 und das Ventil 526 als Rückschlagventil ausgebildet sein.
  • Fig. 16 zeigt ein schematisches Diagramm zur Hochdruckverdichtung in einem Verdichtersystem 500, welches einen Hochdruck-Verdichter 100 aufweist. Ein solcher Hochdruck-Verdichter 100 kann bspw. ein Hochdruck-Verdichter 100 der ersten Ausführungsform (Fig. 1) oder ein Hochdruck-Verdichter 100 der zweiten Ausführungsform (Fig. 8) sein.
  • In einem ersten Schritt S1 erfolgt das Füllen des Hochdruck-Verdichters 100 aus dem Vorrat 520 (siehe Fig. 4/Fig. 11). Hierzu werden die entsprechenden Ventile geöffnet bzw. geschlossen.
  • In Schritt S2 erfolgt der Hub in die Anwendung 530 (siehe Fig. 5/Fig. 12) aus dem Hochdruck-Verdichter 100.
  • In Schritt S3 erfolgt ein erster Zwischenschritt zur Druckentlastung des Hochdruck-Verdichters 100 (siehe Fig. 6/Fig. 13), wobei die Zufuhr von Gas aus dem Hochdruck-Verdichter 100 zur Gas-Anwendung 530 geschlossen wird.
  • In Schritt S4 erfolgt ein zweiter Zwischenschritt zur Druckentlastung des Hochdruck-Verdichters 100 (siehe Fig. 7/Fig. 14), wobei eine Druckentlastung auf der Gas-Seite durch Öffnen des Ventils 524 und ein Druckabbau erfolgt.
  • In Schritt S5 erfolgt ein Umschalten für ein neues Befüllen des Hochdruck-Verdichters 100, wozu das Ventil 522 wieder geöffnet und das Ventil 524 zur Druckentlastung geschlossen werden.
  • Der vorstehende Ablauf kann stets wiederholt werden, um eine kontinuierliche Hochdruck-Verdichtung für verschiedene Anwendungen zu erreichen.
  • Vorteilhafterweise wird der gesamte innere Raum im Gehäuse 120 des Hochdruck-Verdichters 100 für die Verdichtung verwendet. Weiterhin werden nur die erste Membran 200 und zweite Membran 200 innerhalb des Gehäuses 120 bewegt bzw. verformt, so dass zum einen der Platzbedarf für die Verdichtung nicht vom Verdichtungsvorgang über bewegliche Komponenten abhängt und darüber hinaus eine im Wesentlichen vollständige Abdichtung des Verdichtungsraums gegenüber der Umwelt erreicht wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    Hochdruck-Verdichter
    110
    Befestigungsmittel
    112
    Gewindestange
    114
    Mutter
    116
    Unterlegscheibe
    120
    Gehäuse
    200
    Membran
    210
    Sicke
    220
    Öffnung
    300
    Verdichterkopf
    310
    Platte
    312
    Wand
    314
    Öffnung
    320
    zweiter Anschluss
    330
    Verdichterraum
    332
    Stufe
    400
    Verdichterkopf
    410
    Platte
    412
    Wand
    414
    Öffnung
    420
    erster Anschluss
    430
    Medienkammer
    432
    Stufe
    500
    Verdichtersystem
    510
    Kolben
    512
    Pumpe
    514
    Tank
    520
    Vorrat
    522
    Ventil
    524
    Ventil
    526
    Ventil
    530
    Anwendung
    540
    Domventil
    600
    Zwischenplatte
    610
    dritter Anschluss
    620
    Medienkammer
    630
    Öffnung
    700
    Verdichterkopf
    710
    Platte
    712
    Wand
    714
    Öffnung
    720
    vierter Anschluss
    730
    zweiter Verdichterraum

Claims (9)

  1. Hochdruck-Verdichter zur Verdichtung eines Gases oder Gasgemischs, aufweisend ein Gehäuse (120), das mindestens einen ersten Verdichterraum (330) und eine Medienkammer (430) umgibt, wobei der mindestens eine erste Verdichterraum (330) und die Medienkammer (430) in dem Gehäuse (120) über mindestens eine erste Membran (200) voneinander getrennt sind, wobei das Gehäuse (120) mindestens einen ersten Anschluss (420) aufweist, der in die Medienkammer (430) mündet und über den ein Medium in die Medienkammer (430) ein- und/oder ausleitbar ist, wobei das Gehäuse (120) mindestens einen zweiten Anschluss (320) aufweist, der in den mindestens einen ersten Verdichterraum (330) mündet und über den ein Gas oder Gasgemisch ein- und/oder ausleitbar ist, wobei die mindestens eine erste Membran (200) aus einem polymerbasierten Werkstoff besteht und zur Verdichtung des in den mindestens einen ersten Verdichterraum (330) einleitbaren Gases oder Gasgemischs durch Einleitung eines Mediums in die Medienkammer (430) verformbar ist.
  2. Hochdruck-Verdichter nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine erste Verdichterraum (330) und die Medienkammer (430) im Wesentlichen gleich große Volumina aufweisen.
  3. Hochdruck-Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine erste Verdichterraum (330) und/oder die Medienkammer (430) im Wesentlichen die Form eines Kugelsegments aufweisen und die mindestens eine erste Membran (200) die Grundfläche des Kugelsegments bildet.
  4. Hochdruck-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mindestens eine erste Membran (200) soweit verformbar ist, dass diese aus einer Ausgangsstellung in Anlage mit der Innenwand des mindestens einen ersten Verdichterraums (330) und/oder der Medienkammer (430) kommt.
  5. Hochdruck-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend einen zweiten Verdichterraum (730), der über eine zweite Membran (200) von der Medienkammer (620) getrennt ist, wobei die Medienkammer (620) zwischen dem ersten Verdichterraum (330) und dem zweiten Verdichterraum (730) angeordnet ist, und wobei das Gehäuse (120) mindestens einen vierten Anschluss (720) aufweist, der in den zweiten Verdichterraum (730) mündet und über den ein Gas oder Gasgemisch ein- und/oder ausleitbar ist.
  6. Hochdruck-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gehäuse (120) schichtartig aufgebaut ist und mindestens
    - einen ersten Verdichterkopf (300) mit dem ersten Verdichterraum (330) und einen zweiten Verdichterkopf (400) mit der Medienkammer (430) aufweist, wobei zwischen dem ersten Verdichterkopf (300) und dem zweiten Verdichterkopf (400) die erste Membran (200) angeordnet ist, oder
    - einen ersten Verdichterkopf (300) mit dem ersten Verdichterraum (330), eine Zwischenplatte (600) mit der Medienkammer (620) und einen dritten Verdichterkopf (700) mit dem zweiten Verdichterraum (730) aufweist, wobei zwischen dem ersten Verdichterkopf (300) und der Zwischenplatte (600) die erste Membran (200) und zwischen der Zwischenplatte (600) und dem dritten Verdichterkopf (700) die zweite Membran (200) angeordnet sind.
  7. - Hochdruck-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens eine erste Membran (200) und/oder die zweite Membran (200) eine größere flächenmäßige Erstreckung aufweisen als ein maximaler Durchmesser des mindestens einen ersten Verdichterraums (330), der Medienkammer (430; 620) und/oder des zweiten Verdichterraums (730).
  8. Hochruck-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mindestens eine erste Membran (200) aus einem Elastomer und/oder das Elastomere aus Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) oder Fluorkarbon-Kautschuk (FKM), besteht.
  9. Verdichtersystem zur Hochdruckverdichtung eines Gases oder Gasgemischs, aufweisend mindestes einen Hochdruck-Verdichter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, einen Gas oder Gasgemisch-Vorrat (520), ein Gas oder Gasgemisch-Lager, einen Medienvorrat und Fördermittel zum Fördern eines Gas oder Gasgemischs sowie eines inkompressiblen Mediums und Steuermittel zur Regelung des Durchflusses des Gas oder Gasgemischs und des inkompressiblen Mediums über zugehörige Leitungen, wobei
    - der Hochdruck-Verdichter (100) ein Gehäuse (120) aufweist, das mindestens einen ersten Verdichterraum (330) und eine Medienkammer (430) umgibt, wobei der mindestens eine erste Verdichterraum (330) und die Medienkammer (430) in dem Gehäuse (120) über mindestens eine erste Membran (200) voneinander getrennt sind,
    - der Hochdruck-Verdichter (100) mindestens einen ersten in eine Medienkammer (430) mündenden Anschluss (420) aufweist,
    - der erste Anschluss (420) mit dem Medienvorrat über zugehörige Leitungen und korrespondierende Förder- und/oder Steuermittel verbunden ist, so dass ein inkompressibles Medium aus dem Medienvorrat über den ersten Anschluss (420) in die Medienkammer (430) und aus der Medienkammer (420) in den Medienvorrat einbringbar ist,
    - der Hochdruck-Verdichter (100) mindestens einen zweiten in den Verdichterraum (330) mündenden Anschluss (320) aufweist,
    - der mindestens eine zweite Anschluss (320) mit dem Gas oder Gasgemisch-Vorrat (520) und dem Gas oder Gasgemisch-Lager über zugehörige Leitungen und korrespondierende Förder- und/oder Steuermittel verbunden ist, so dass ein Gas oder Gasgemisch aus dem Gas oder Gasgemisch-Vorrat (520) in den ersten Verdichterraum (330) und aus dem ersten Verdichterraum (330) in das Gas oder Gasgemisch-Lager einbringbar ist, und
    - das inkompressible Medium über zugehörige Förder- und/oder Steuermittel mit Druck beaufschlagbar ist, so dass eine Verformung der mindestens einen ersten Membran (200) und hierüber eine Komprimierung des in dem mindestens einen ersten Verdichterraum (330) aufgenommenen Gas oder Gasgemischs erreichbar ist, wozu Leitungen zu und von dem Gas oder Gasgemisch-Vorrat (520), dem Gas oder Gasgemisch-Lager und dem Medienvorrat über korrespondierende Steuermittel abschließbar sind.
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