Verdichter mit Kolbendummy

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, aufweisend eine in dem Kolbenraum verschiebbare, als Kolben fungierende Flüssigkeit bzw. Flüssigkeitssäule.

Gattungsgemäße Verdichter, die der Verdichtung von gasförmigen Medien, wie beispielsweise Wasserstoff und Erdgas, bis zu Drücken von 1000 bar dienen, werden auch als kolbenloser Verdichter bezeichnet, da innerhalb des Kolbenraumes bzw. Zylinders kein herkömmlicher Kolben, sondern eine Flüssigkeit bzw. Flüssigkeitssäule verschiebbar angeordnet ist. Ein derartiger Verdichter ist beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung 102004046316 bekannt.

Die in derartigen Verdichtern verwendete Flüssigkeit ist vorzugsweise eine ionische Flüssigkeit, da sich diese zum einen in dem zu verdichtenden Medium nicht löst und zum anderen von dem zu verdichtenden Medium rückstandsfrei abgetrennt werden kann. Grundsätzlich können jedoch auch andere Flüssigkeiten zur Anwendung kommen, beispielsweise schwer siedende Hydrauliköle, Vakuumöle oder andere schwer siedende Flüssigkeiten mit niedriger Mediumslösung.

Die Kühlung gattungsgemäßer Verdichter erfolgt bisher durch die verwendete

Hydraulikflüssigkeit selbst. Sollte durch sie keine ausreichende Kühlwirkung erreicht werden können, wird im Regelfall zusätzlich eine Außenkühlung, beispielsweise in Form eines Kühlmantels, realisiert.

Um einen ungewollten Austritt der Flüssigkeit mit dem verdichteten Medium über das Druckventil und/oder eine möglichst gute Totraumoptimierung gewährleisten zu können, wird bisher danach getrachtet, die Oberfläche der Flüssigkeit möglichst glatt zu halten. Dadurch werden jedoch der Wärmeübergang und damit die Kühlwirkung auf die Oberflächenberührung reduziert. Dies hat zur Folge, dass der heißeste Teil des Verdichters - dies ist der Bereich des Kolbenraumes, in dem der obere Totpunkt liegt - am wenigsten gekühlt wird. Von Nachteil ist jedoch, dass insbesondere die Hitzeentwicklung im oberen Totpunkt des Verdichters den thermischen Wirkungsgrad des Verdichtungsprozesses verringert. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Verdichter anzugeben, bei dem die Kühlleistung bzw. -Wirkung insbesondere im Bereich des oberen Totpunktes verbessert und dadurch der Wirkungsgrad des Verdichters erhöht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßer Verdichter, aufweisend eine in dem Kolbenraum verschiebbare, als Kolben fungierende Flüssigkeit, vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Flüssigkeit ein mit ihr verschiebbarer Kolbendummy angeordnet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verdichters, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass

der Kolbendummy derart ausgebildet ist, dass er bei Erreichen des oberen Totpunktes eine Beschleunigung der Flüssigkeit in dem von ihm und der Kolbenraumwand definierten Ringspalt bewirkt,

- die Unterseite des Kolbendummys derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkeit im

Bereich der Kolbendummy-Unterseite gehalten oder beschleunigt wird,

der Kolbendummy ein- oder mehrstückig ausgebildet ist und

- die Flüssigkeit zumindest teilweise eine ionische Flüssigkeit ist.,

Der erfindungsgemäße Verdichter sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine seitliche, nicht maßstabsgerechte Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters, wobei die Figur 1 die Situation zu Beginn eines Verdichtungstaktes, die Figur 2 die Situation am Ende eines Verdichtungstaktes und die Figur 3 die Situation während des Ansaugtaktes zeigt. Der erfindungsgemäße Verdichter weist einen Kolben 1 , der einen Kolbenraum 2 definiert, auf. Innerhalb des Kolbenraumes 2 ist eine eine Flüssigkeitssäule bildende Flüssigkeit 3, bei der es sich vorzugsweise um eine ionische Flüssigkeit handelt, angeordnet. Mittels geeigneter Maßnahmen - in den Figuren 1 bis 3 dargestellt durch einen Hydraulikkolben 4 - wird die Flüssigkeitssäule 3 innerhalb des Kolbenraumes 2 auf- und abbewegt. Am Zylinderkopf sind ferner wenigstens ein Ansaugventil 6 sowie wenigstens ein Druckventil 7 vorgesehen.

Erfindungsgemäß ist nun innerhalb der Flüssigkeit 3 ein ein- oder mehrstückig ausgebildeter Kolbendummy 5 angeordnet. Dieser Kolbendummy 5 wird von der Flüssigkeit 3 umspült, so dass ggf. vorzusehende Dichtungen des Hydraulikkolbens 4 zu jeder Zeit mit der Flüssigkeit 3 in Berührung sind. Der Kolbendummy 5 weist in vorteilhafter weise zumindest annähernd die Form des Zylinders bzw. Kolbenraumes 2 auf. Der Kolbenraum 2 besitzt vorzugsweise eine strömungs- und/oder kühltechnisch optimierte Innenkontur. Auch die vorgenannten Saug- 6 und Druckventile 7 sind in vorteilhafter Weise derart angeordnet, dass sie den Kühlprozess unterstützen. Des Weiteren ist die Unterseite des Kolbendummys 5 vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Flüssigkeit 3 im Bereich der Kolbendummy-Unterseite gehalten oder beschleunigt wird.

Während eines Verdichtungstaktes, wie er in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, wird die Flüssigkeit 3 gemeinsam mit dem Kolbendummy 5 nach oben bewegt. Da die Kontur des Kolbendummys 5 dem Kopfbereich des Kolbeninnenraumes angepasst ist, wird bei der Annäherung des Kolbendummys 5 an den oberen Totpunkt eine Beschleunigung der Flüssigkeit 3 in dem von dem Kolbendummy 5 und der Kolbenraumwand definierten Ringspalt 8 erreicht. Diese Beschleunigung der Flüssigkeit 3 hat zur Folge, dass die Flüssigkeit 3 länger als bei den zum Stand der Technik zählenden Verdichterkonstruktionen mit dem zu kühlenden Zylinderkopf in Berührung kommt. Aufgrund der Beschleunigung der Flüssigkeit 3 im Ringspalt 8 kommt es zudem zur Ausbildung einer turbulenten Strömung in der Flüssigkeit 3, die eine zusätzliche Kühlwirkung zur Folge hat.

Im Regelfall wird bei Erreichen des oberen Totpunktes ein Teil der Flüssigkeit 3 gemeinsam mit dem verdichteten Medium über das Druckventil 7 aus dem Kolbenraum 2 gefördert. Dabei handelt es sich um die oberste und damit heißeste Schicht der Flüssigkeitssäule.

Nach dem Schließen des Druckventils 7 und zu Beginn der Abwärtsbewegung der Flüssigkeitssäule 3 sowie des Kolbendummys 5 schießt der in dem oberen Bereich des Kolbenraumes 2 verbleibende Rest der beschleunigten Flüssigkeit erneut am oberen Teil des Zylinderkopfes vorbei, woraus eine zusätzliche Erhöhung der gewünschten Kühlwirkung resultiert.

Im Falle einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorzusehenden Kolbendummys 5 verbleibt die oberste Schicht der Flüssigkeit 3 auf dem Kolbendummy 5. Dieser Effekt tritt insbesondere bei ionischen Flüssigkeiten auf, da die beschleunigte Flüssigkeitsmenge nicht mehr in die Flüssigkeitsoberfläche eintauchen kann. Dieses Verhalten ist jedoch gewünscht, da beim darauf folgenden Verdichtungshub genau diese (heiße) Flüssigkeitsmenge über das Druckventil 7 aus dem Kolben 1 bzw. Kolbenraum 2 abgeführt wird.

Es ist offensichtlich, dass die Form des Kolbendummys 5 im Wesentlichen von der Form des Kolbeninnenraumes 2 in seinem oberen Bereich bestimmt wird. Grundsätzlich ist jedoch in der Praxis eine Vielzahl unterschiedlichster Kolbendummyformen realisierbar.

Mittels des erfindungsgemäßen Verdichterkonzeptes wird eine bessere Kühlung des Kolben- bzw. Zylinderkopfes, insbesondere im Bereich des oberen Totpunktes, erreicht. Dies hat eine Verringerung der Verdichtungstemperatur und damit der benötigten Verdichtungsenergie zur Folge. Somit erhöht sich der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verdichters im Vergleich zu einem ansonsten identischen Verdichter, bei dem auf den erfindungsgemäß vorzusehenden Kolbendummy verzichtet wird.