Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten eines

Arbeitsmediums mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Verdichten eines Arbeitsmediums mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 8.

Derartige Verdichter sind im Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt (vgl. z.B. die US 4, 104, 008 A) .

Die US 4,104,008 A offenbart eine druckluftbetriebene

Hydraulikpumpe, die einen Arbeitsraum und einen Pneumatikkolben aufweist, wobei der Pneumatikkolben mit einem Hydraulikkolben verbunden ist. Mithilfe eines Hilfsschiebers, der gegen den

Arbeitsraum abgedichtet ist, und eines Steuerschiebers, wird

Druckluft zum Pneumatikkolben befördert, um diesen entgegen einer Federkraft einer Schraubendruckfeder zu bewegen. Durch die Bewegung des Pneumatikkolbens wird der Hydraulikkolben in einem Hydraulikzylinder bewegt, auf den ein Ventilgehäuse aufgeschoben ist, das zum Anschluss von Hydraulikleitungen dient.

Die US 5,324,175 A zeigt einen zweistufigen, pneumatisch

betriebenen Luft-Kolbenkompressor, der einen integrierten und koaxialen Antriebskolben, einen Kolben für die erste Stufe und einen Kolben für die zweite Stufe aufweist. Die Druckseite der ersten Stufe des Kompressors ist die Saugseite der zweiten Stufe. Die zu komprimierende Luft wird nach der Kompression in der ersten Stufe des Kompressors durch einen Wärmetauscher geführt, bevor sie in der zweiten Stufe weiter komprimiert wird.

In den DE 30 18 625 Al und US 6,386,841 Bl sind verschiedene

Ausführungen von Verdichtern gezeigt, welche jedoch nicht im

Hinblick darauf ausgelegt sind, die Effizienz der Verdichter zu erhöhen .

Als nachteilig erweist sich jedoch der hohe Energieverbrauch von Verdichtern mit Gasantrieb.

Vor diesem Hintergrund setzt sich die Erfindung zum Ziel, den Wirkungsgrad für den Antrieb des Hochdruckkolbens zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines

Arbeitsmediums weist zumindest die folgenden Komponenten auf:

- einen Kompressor zur Kompression eines Antriebsmediums;

- einen Druckübersetzer mit einem mittels des Antriebsmediums betätigbaren Antriebskolben innerhalb eines ersten

Zylinders und mit einem das Arbeitsmedium verdichtenden Hochdruckkolben innerhalb eines zweiten Zylinders,

- einen Wärmetauscher zwischen dem Kompressor und dem ersten Zylinder des Druckübersetzers zur Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf das komprimierte

Antriebsmedium.

Erfindungsgemäß ist der Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium nach der Verdichtung im zweiten

Zylinder und dem Antriebsmedium vor dem Eintritt in den ersten Zylinder des Druckübersetzers eingerichtet. Vorteilhafterweise kann so die Temperatur des Antriebsmediums im komprimierten Zustand erhöht werden, bevor der Antriebskolben mit dem

Antriebsmedium im komprimierten Zustand beaufschlagt wird.

Dadurch steht eine höhere Arbeitsleistung für den Betrieb des Hochdruckkolbens zur Verfügung, so dass der Wirkungsgrad des Verdichters gesteigert werden kann.

Dieses Prinzip kann bei verschiedenen Typen von Verdichtern, insbesondere bei einem einfach- oder doppeltwirkenden,

einstufigen oder zweistufigen Verdichter genutzt werden. Der Kompressor kann als Kolbenverdichter ebenfalls einfach- oder doppeltwirkend, einstufig oder zweistufig ausgeführt sein.

Für die Zwecke dieser Offenbarung beziehen sich die Orts- und Richtungsangaben, wie „vor", „nach", „zwischen", etc., auf die Strömungsrichtung des Antriebsmediums bzw. des Arbeitsmediums im Verdichterbetrieb .

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein geschlossener Kreislauf für das Antriebsmedium mit einer ersten Leitung vom Kompressor zum ersten Zylinder und mit einer zweiten Leitung vom ersten Zylinder zum Kompressor vorgesehen. In dem Artikel von Andreas P. Weiß, „Höhere Energieeffizienz - Theoretische

Überlegungen zu einem idealen Druckluftsystem mit geschlossenem Luftkreislauf" , O+P 5/2009, wurde in einem anderen Zusammenhang gezeigt, dass bei einem Druckluftsystem mit einem

Druckluftzylinder die Ausbildung eines geschlossenen

Luftkreislaufes die Energieeffizienz gegenüber einem offenen Referenzsystem ohne Abluftrückführung erhöht.

Der Wärmetauscher ist bevorzugt als Rekuperator ausgeführt, wobei das komprimierte Antriebsmedium und das verdichtete

Arbeitsmedium mittels zumindest einer Wand voneinander getrennt sind. Bei einer alternativen Ausführung ist der Wärmetauscher als Regenerator ausgeführt, wobei eine Wärmespeicherung in einer Wärmetauschermasse vorgesehen ist.

Als Wärmetauscher kann beispielsweise ein Plattenwärmetauscher oder ein Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher vorgesehen sein. Es sind jedoch verschiedenste Ausführungen von Wärmetauschern bekannt, mit welchen der Wärmegehalt des verdichteten Arbeitsmediums auf das komprimierte Antriebsmedium übertragen werden kann.

Um die benötigte Antriebsleistung weiter zu verringern, ist es günstig, wenn der Kompressor vollhermetisch oder halbhermetisch ausgeführt ist.

Für die Zwecke dieser Offenbarung wird als

„vollhermetischer" Kompressor eine Ausführung verstanden, bei welcher ein vorzugsweise druckdichtes Gehäuse sowohl einen

Antriebsmotor als auch eine Verdichtereinheit umschließt, wobei das umschließende Gehäuse insbesondere verschweißt ist und die Medienleitungen durch das Gehäuse durchgeführt sind.

Für die Zwecke dieser Offenbarung wird als

„halbhermetischer" Kompressor eine Ausführung verstanden, bei welcher ein Antriebsmotor mit einem Verdichtergehäuse druckdicht und lösbar verbunden ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein offener Kompressor vorgesehen. Für die Zwecke dieser Offenbarung wird als

„offener" Kompressor eine Ausführung verstanden, bei welcher aus wenigstens einer Seite einer Verdichtereinheit ein Wellenzapfen oder ein anderes Lastübertragungsmittel ragt, über das

Arbeitsleistung in die Verdichtereinheit eingebracht werden kann.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind der

Kompressor und der geschlossene Kreislauf für das Antriebsmedium dazu eingerichtet, das Antriebsmedium bei höherem Druck als

Umgebungsdruck im Kreis zu führen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist in der zweiten

Leitung des geschlossenen Kreislaufes ein Kühler zur Kühlung des Antriebsmediums zwischen dem ersten Zylinder des

Druckübersetzers und dem Kompressor angeordnet. Bei dieser

Ausführungsform wird die Temperatur des Antriebsmediums bei der Rückführung vom ersten Zylinder zum Kompressor gesenkt. Auf diese Weise kann die Temperatur des Antriebsmediums nach der

Komprimierung durch Wärmeaustausch mit dem verdichteten

Arbeitsmedium erhöht werden, ohne dass die Temperatur im

geschlossenen Kreislauf insgesamt immer weiter gesteigert werden würde. Vorteilhafterweise wird das Arbeitsmedium daher im

geschlossenen Kreislauf auf verschiedenen Temperaturstufen

geführt, um einen optimalen Wirkungsgrad beim Antrieb des

Hochdruckkolbens zu erzielen.

Um die Temperatur des Antriebsmediums in der Rückleitung vom Verdichter gezielt auf das passende Niveau abzusenken, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform weiters vorgesehen:

— ein Temperaturmesselement in der zweiten Leitung,

— eine Steuereinheit, welche einerseits mit dem Temperaturmesselement und andererseits mit dem Kühler verbunden ist, um den Kühler in Abhängigkeit von der Temperatur des Antriebsmediums in der zweiten Leitung zu steuern .

Zum Ausgleich von Druckspitzen bzw. Druckschwankungen ist

bevorzugt ein erster Pufferspeicher zwischen dem Kompressor und dem Wärmetauscher und/oder ein zweiter Pufferspeicher zwischen dem Kühler und dem Kompressor vorgesehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Kompressor und dem ersten Zylinder ein Steuerschieber vorgesehen, welcher zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten

Stellung umschaltbar ist, um den ein erstes Volumen des ersten Zylinders gegenüber einem zweiten Volumen des ersten Zylinders abdichtenden Antriebskolben mittels des Antriebsmediums hin- und her zu bewegen. In der ersten Stellung verbindet der

Steuerschieber die erste Leitung mit einem ersten Volumen des ersten Zylinders und die zweite Leitung mit einem zweiten

Volumen des ersten Zylinders. In der zweiten Stellung verbindet der Steuerschieber die erste Leitung mit dem zweiten Volumen des ersten Zylinders und die zweite Leitung mit dem ersten Volumen des ersten Zylinders.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines

Arbeitsmediums weist zumindest die folgenden Schritte auf:

- Komprimierung eines Antriebsmediums in einem Kompressor;

- Bewegen eines Antriebskolbens mittels des komprimierten

Antriebsmediums innerhalb eines ersten Zylinders;

- Bewegen eines das Arbeitsmedium verdichtenden

Hochdruckkolbens mittels des Antriebskolbens innerhalb eines zweiten Zylinders, und

- eine Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf

das komprimierte Antriebsmedium vor dem Eintritt des

komprimierten Antriebsmediums in den ersten Zylinder des Antriebskolbens .

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiters den Schritt

- Leiten des Antriebsmediums in einem geschlossenen Kreislauf vom Kompressor über den ersten Zylinder zurück zum

Kompressor .

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Antriebsmedium im Kompressor von einem Eingangsdruck auf einen Ausgangsdruck komprimiert, wobei der Eingangsdruck größer als ein Umgebungsdruck ist.

Der Eingangsdruck des Antriebsmediums am Eingang des Kompressors beträgt bevorzugt zwischen 0,5 bar und 50 bar, insbesondere zwischen 2 bar und 30 bar. Der Ausgangsdruck des Antriebsmediums am Ausgang des Kompressors beträgt bevorzugt zwischen 1 bar und 100 bar, insbesondere zwischen 5 bar und 40 bar.

Für die Zwecke dieser Offenbarung sollen sämtliche Druckwerte als Absolutdrucke verstanden werden.

Zur Temperaturabsenkung des Antriebsmediums vor dem Kompressor wird bevorzugt eine Kühlung des aus dem ersten Zylinder austretenden Antriebsmediums mittels eines Kühlers vorgenommen.

Das Antriebsmedium ist vorzugsweise von dem Arbeitsmedium verschieden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Antriebsmedium gasförmig, wobei als Antriebsmedium vorzugsweise eines von Luft, Stickstoff, CO2, Argon oder Krypton oder eine Mischung daraus vorgesehen ist. Die herkömmlichen Verdichter mit Gasantrieb haben einen hohen Energiebedarf, um die benötigte Antriebsleistung für den Antrieb des Hochdruckkolbens zur Verfügung zu stellen. Durch den geschlossenen Kreislauf des Antriebsmediums einerseits und die Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf das komprimierte Antriebsmedium andererseits kann der Wirkungsgrad beim Betrieb des Antriebskolbens wesentlich erhöht werden.

Bei einer besonders bevorzugten Anwendung ist das Arbeitsmedium gasförmig, wobei als Arbeitsmedium vorzugsweise molekularer Wasserstoff vorgesehen ist. Bevorzugt wird der Druck des Arbeitsmediums von einem Anfangsdruck, insbesondere zwischen 3 bar und 500 bar, auf einen Enddruck, insbesondere zwischen 100 bar und 1500 bar, insbesondere zwischen 700 bar und 1000 bar, angehoben. Diese Werte sind wiederum jeweils als Absoluter Druck zu verstehen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsmediums mittels eines Hochdruckkolbens, wobei eine Wärmeübertragung vom verdichteten Arbeitsmedium auf das komprimierte Antriebsmedium für den Antriebskolben durchgeführt wird .

In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zum Verdichten eines gasförmigen Arbeitsmediums, vorzugsweise molekularer Wasserstoff, gezeigt. Die Vorrichtung 1 weist einen Kompressor 2 zur Kompression eines gasförmigen Antriebsmediums, vorzugsweise Luft, auf. Im Stand der Technik sind verschiedenste Typen von Kompressoren 2 bekannt. Beispielsweise kann der Kompressor 2 als Kolben- oder Schraubenverdichter ausgeführt sein. Der Kompressor kann genau eine Stufe oder mindestens zwei Stufen aufweisen. Der Kompressor 2 erhöht den Druck des Antriebsmediums von einem Eingangsdruck an einem Eingang 2a des Kompressors 2 auf einen Ausgangsdruck an einem Ausgang 2b des Kompressors 2.

Wie aus der Zeichnung weiters ersichtlich, wird das komprimierte Antriebsmedium zum Antrieb eines Druckübersetzers 3 verwendet. Der Druckübersetzer 3, auch als Druckumwandler bezeichnet, weist einen Antriebskolben 4 auf, welcher innerhalb eines ersten Zylinders 5 zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition hin- und her bewegt wird. Für den Antrieb des Antriebskolbens 4 wird das Antriebsmedium in den ersten Zylinder 5 geleitet. Der Antriebskolben 4 dichtet ein erstes Volumen 6 des ersten Zylinders 5 gegenüber einem zweiten Volumen 7 des ersten Zylinders 5 ab. Der Druckübersetzer 3 weist zudem einen Hochdruckkolben 8 auf, mit welchem das Arbeitsmedium von einem Anfangsdruck auf einen Enddruck verdichtet wird. Der Hochdruckkolben 8 ist innerhalb eines zweiten Zylinders 9 zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung hin- und her bewegbar. Dafür ist der Hochdruckkolben 8 mit dem Antriebskolben 4 derart verbunden, dass die Bewegung des Antriebskolbens 4 auf den Hochdruckkolben 8 übertragen wird. Um eine Druckübersetzung von der Niederdruck- zur Hochdruckseite zu erzielen, weist der Hochdruckkolben 8 eine geringere Kolbenfläche als der Antriebs- bzw. Niederdruckkolben 4 auf. In der gezeigten Ausführung ist der Antriebskolben 4 doppeltwirkend mit einem weiteren Hochdruckkolben 10 innerhalb eines Hochdruckzylinders 11 auf der vom Hochdruckkolben 8 abgewandten Seite des Antriebskolbens 4 ausgebildet. Das Arbeitsmedium wird mit dem Anfangsdruck über eine erste Zuleitung 12 dem zweiten Zylinder 9 und über eine zweite Zuleitung 13 dem Hochdruckzylinder 11 zugeführt. Nach der Verdichtung wird das Arbeitsmedium mit dem Enddruck über eine erste Ableitung 14 vom zweiten Zylinder 9 und über eine zweite Ableitung 15 vom Hochdruckzylinder 11 abgeleitet. In den Zu- und Ableitungen sind Ventile 12a, 13a, 14a, 15a vorgesehen. In der gezeigten Ausführung werden die erste Ableitung 14 und die zweite Ableitung 15 in einer gemeinsamen Ableitung 16 zusammengeführt. Bei einer einfachwirkenden Ausführung des Antriebskolbens 4 (nicht gezeigt) ist lediglich die erste Ableitung 14 vorgesehen.

Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, wird das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf 17 geführt. Der geschlossene Kreislauf 17 weist eine erste Leitung 18 vom Ausgang 2a des Kompressors 2 zum ersten Zylinder 5 und eine zweite Leitung 19 (Rückführung) vom ersten Zylinder 5 zurück zum Eingang 2b des Kompressors 2 auf. Zudem ist eine Steuervorrichtung, insbesondere ein Steuerschieber 20, zur Änderung der Strömungsrichtung des Antriebsmediums im ersten Zylinder 5 vorgesehen. Dadurch kann der Antriebskolben 4 je nach Stellung der Steuervorrichtung von der einen Seite oder von der anderen Seite unter Druck gesetzt werden, so dass das Umschalten der Steuervorrichtung die Hin- und Her-Bewegung des Antriebskolbens 2 bewirkt. In der gezeigten Ausführung ist der Kompressor 2 vollhermetisch oder halbhermetisch ausgeführt. Vorteilhafterweise können so Gasleckagen reduziert werden.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird das Antriebsmedium in Strömungsrichtung 21 des Antriebsmediums gesehen zwischen dem Kompressor 2 und dem ersten Zylinder 5 des Druckübersetzers 3 über einen Wärmetauscher 22 geführt, in welchem ein Wärmeaustausch mit dem verdichteten Arbeitsmedium durchgeführt wird. Zu diesem Zweck ist der Wärmetauscher 22 mit der ersten Ableitung 14 und/oder mit der zweiten Ableitung 15, im Fall des gezeigten doppeltwirkenden Verdichters mit der gemeinsamen Ableitung 16, verbunden. Somit kann der Wärmegehalt des Arbeitsmediums nach der Verdichtung im zweiten Zylinder 9 zur Temperaturerhöhung des Antriebsmediums vor dem Eintritt in den ersten Zylinder 5 für den Antriebskolben 4 erhöht werden. Aus der idealen Gasgleichung (p*V=n*R*T) ergibt sich, dass das Produkt p*V erhöht wird, wenn die Temperatur des komprimierten Antriebsmediums erhöht wird. Die erbringbare Arbeit und folglich Leistung am Druckumsetzer wird dadurch erhöht. Somit wird für die gleiche Arbeit im Vergleich zu einem herkömmlichen System weniger (elektrische) Antriebsenergie für den Kompressor 2 benötigt .

In der gezeigten Ausführung ist zudem ein Kühler 23 in der zweiten Leitung 19 angeordnet, um eine Kühlung des Antriebsmediums am Weg vom ersten Zylinder 5 des Druckübersetzers 3 zurück zum Kompressor 2 zu erzielen. Der Kühler 23 kann als weiterer Wärmetauscher mit einem Ventilator 23a ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführung ist zudem ein Temperaturmesselement 26 in der zweiten Leitung 19 vorgesehen, welches die Temperatur des Arbeitsmediums an eine Steuereinheit 27 übermittelt, welche den Ventilator 23a in Abhängigkeit von der Temperatur des Antriebsmediums in der zweiten Leitung 19 ansteuert .

Weiters ist ein erster Pufferspeicher 24 zwischen dem Kompressor 2 und dem Wärmetauscher 22 und ein zweiter Pufferspeicher 25 zwischen dem Kühler 23 und dem Kompressor 2 vorgesehen.

Der besseren Übersicht halber sind in der Zeichnung lediglich die für das Verständnis der gezeigten Ausführungsform benötigten Komponenten dargestellt. Selbstverständlich kann die Verdichter- Vorrichtung 1 verschiedenste zusätzliche Komponenten und Modifikationen gegenüber der gezeigten Ausführungsform aufweisen