(57)【要約】  本発明は流体エネルギー装置に関し、この流体エネルギー装置はクランク駆動部（Ａ）と、クランク駆動部（Ａ）と機械的に結合されている駆動装置とを含んでおり、駆動装置は２つの電動機（Ｍ）を含んでおり、電動機の各被駆動側要素は、クランク駆動部と機械的に結合されており、この流体エネルギー装置は、流体エネルギー装置を周囲から密閉し、かつ圧力保持システムと接続されているハウジング（１−５）内に設置されている。本発明はさらに、このような流体エネルギー装置の動作方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体エネルギー装置であって、前記流体エネルギー装置はクランク駆動部と、前記クランク駆動部と機械的に結合されている駆動装置とを含んでおり、
前記駆動装置は２つの電動機を含んでおり、前記電動機の各被駆動側要素は、前記クランク駆動部と機械的に結合されている形式の流体エネルギー装置において、
前記流体エネルギー装置は、前記流体エネルギー装置を周囲から密閉し、かつ圧力保持システムと接続されているハウジング内に設置されている、
ことを特徴とする流体エネルギー装置。
【請求項２】
前記ハウジングは複数の空間に分割されており、ここで前記空間は相互に接続されている、請求項１記載の流体エネルギー装置。
【請求項３】
前記ハウジングは、入口および出口を介して前記圧力保持システムと接続されている、請求項１または２記載の流体エネルギー装置。
【請求項４】
０．０１ｍｂａｒ〜５０ｍｂａｒ、特に２．５ｍｂａｒの過圧が印加可能であるように、前記ハウジングは構成されている、請求項１または２記載の流体エネルギー装置。
【請求項５】
流体エネルギー装置の動作方法であって、前記流体エネルギー装置はクランク駆動部と、前記クランク駆動部と機械的に結合されている駆動装置とを含んでおり、
前記駆動装置は２つの電動機を含んでおり、前記電動機の各被駆動側要素は、前記クランク駆動部と機械的に結合されている形式の、流体エネルギー装置の動作方法において、
前記流体エネルギー装置は、圧力媒体が貫流するハウジング内に設置されている、
ことを特徴とする流体エネルギー装置の動作方法。
【請求項６】
圧力媒体として、空気、窒素または他の不活性ガスを使用する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記圧力媒体は、０．０１ｍｂａｒ〜５０ｍｂａｒ、特に２．５ｍｂａｒの過圧で前記ハウジングを貫流する、請求項５または６記載の方法。
【請求項８】
前記圧力媒体の過圧を圧力保持システムによって維持する、請求項５から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記ハウジングは複数の空間に分割されており、前記空間は相互に接続されており、かつ前記圧力媒体は前記複数の空間を順々に貫流する、請求項５から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記流体エネルギー装置は、水素体積流量を生じさせるために、かつ／または水素を圧縮するために使用される、請求項５から９までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体エネルギー装置に関し、このエネルギー装置は、クランク駆動部と、このクランク駆動部と機械的に結合されている駆動装置とを含んでおり、ここでこの駆動装置は２つの電動機を含んでおり、これらの電動機の各被駆動側要素は、クランク駆動部と機械的に結合されている。本発明は、このような流体エネルギー装置の動作方法にも関する。
【０００２】
装置、たとえば自動車に、ここでは液体の形態で存在し得る水素を補給するために、いわゆるクライオポンプまたは低温高圧ポンプが知られている。これらのポンプは、低温領域において、流体を圧送するのに適している。
【０００３】
独国特許出願公開第１０２００７０３５６１６号明細書（DE 102007035616A1）から、特に低温媒体用に構成されているポンプが知られている。このようなポンプは、極めて低温の流体、たとえば水素を圧送および／または圧縮するように構成されているピストン−シリンダユニットを含んでいる。
【０００４】
このようなポンプは通常、液圧式駆動部によって動かされる。別の従来の低温ポンプ装置は、液圧式駆動部の代わりに、同様にピストン−シリンダユニットのピストンに結合されている回転式駆動部を含んでいる。
【０００５】
低温ポンプ装置用の液圧式駆動部は、通常、補助的なユニットならびに冷却装置を収容するための比較的大きな構造体積と、作動液のための貯蔵部を必要とする。さらに、液圧式駆動部を備えたポンプ装置は、設置およびメンテナンスにおいて比較的多くのコストがかかり、ならびに液圧シリンダ内の距離測定のための設置されるべき測定技術に対しても比較的多くのコストがかかる。通常はこのために、リニア距離測定システムが配置されるべきである。生成されるべき体積流量の許容されないピーク値を回避するために、ポンプ装置内では、ピストンの加速度が調整されるべきである。液圧式駆動装置の適用時には、相応する加速度経過の実現は、必要な閉ループ制御ならびにこのために設置されるべき閉ループ制御技術に関する、コストの上昇と結び付いている。さらに、液圧式駆動装置によって通常、約２Ｈｚの周波数を超える、ピストン−シリンダユニットのストローク運動は実現されない。
【０００６】
クランク駆動部と組み合わせた電動機式駆動部を有する形態では、市販されている電動機の最大の、周波数に関連する定格トルクは、ポンプ装置の最大の圧送出力を、得られる流量に関しても、得られる圧送圧力に関しても制限する。目標とされる流量ならびに圧送圧力が高い場合には、ストローク運動の相応する周波数ならびに力もしくはトルクも、電動機によってクランク駆動部に加えられるべきである。これは、相応する対向力が、電動機もしくは電動機の支持部および／または電動機とクランク駆動部との間の、トルクを伝達する機械要素の支持部に作用することを意味する。支持箇所の安定性は、これらが、相応する摩耗にさらされるべきではない場合には、これに合わせられるべきである。ここでこの摩耗は、特に、電動機の被駆動側要素が実質的にクランク駆動部の回転軸に対して同軸に配置されており、かつこのようなクランク駆動部と固定的に結合されている場合に、顕著になる。
【０００７】
このような欠点を克服するのに適している流体装置は、クランク駆動部と、このクランク駆動部と機械的に結合されている駆動装置を含んでいる。この駆動装置によって、トルクがクランク駆動部に導入される。さらに流体エネルギー装置は、ピストン−シリンダユニットを含んでおり、このピストン−シリンダユニットのピストンは、機械的にクランク駆動部と結合されている。駆動装置は２つの電動機を含んでおり、これらの電動機の各被駆動側要素は、クランク駆動部と機械的に結合されている。さらに、ピストン−シリンダユニットは、ピストンを１つだけ含んでおり、かつシリンダを１つだけ含んでいる。以降で略してモーターとも称される電動機は、ここで回転モーターであって、ここでは、２つ以上のモーターが配置されることも除外されるべきではない。したがって駆動装置は、少なくとも２つのモーターを含んでいる。このような流体エネルギー装置の利点は、１分あたり１回転〜６００回転という、軸の低い回転数（ｒｐｍ）にもかかわらず、動作し、必要な高い圧力が得られる、ということである。回転数が低いのにもかかわらず、電動機を介して、１０００Ｎｍ〜８０００Ｎｍ、特に４０００Ｎｍまでの範囲の高いトルクが得られる。これによって、ピストンロッドに作用する力は、１０ｋＮ〜１５０ｋＮ、特に１５ｋＮ〜２０ｋＮになる。２つのモーターをクランク駆動部に接続することによって、対称的な負荷ならびに対向力もしくは対向モーメントの、２つのモーターもしくは駆動軸への分配が実現され、これによって全体的に駆動装置もしくはクランク駆動部での負荷および／または摩耗を低減させることができる。支持部は、相応に小さいサイズに構成される、もしくは軸はより小さい直径で構成される。
【０００８】
このような流体エネルギー装置での欠点は、カテゴリーＩおよびＩＩの防爆ゾーンにおける設置が、現在市販されている適切な電動機によって、不可能であるということである。しかしこのような設置は、まさに、水素および他の燃焼可能な物質の圧送の場合には、重要である。本発明の課題は、カテゴリーＩおよびＩＩの防爆ゾーンにおいて使用可能な流体エネルギー装置および流体エネルギー装置の動作方法を提供することである。
【０００９】
上述の課題は、装置に関しては、流体エネルギー装置が、流体エネルギー装置を周囲から密閉し、かつ圧力保持システムと接続されているハウジング内に設置されていることによって解決される。有利には電動機として、水冷式電動機が使用される。これによって、モーターの冷却のための空気供給が不要になり、ハウジングの密閉をより容易に実現することができる。
【００１０】
方法に関しては、上述の課題は、流体エネルギー装置が、圧力媒体が貫流するハウジング内に設置されていることによって解決される。このようなハウジングは有利には、耐荷重性ハウジングである。
【００１１】
有利にはこのハウジングは複数の空間に分割されており、ここでこれらの空間は相互に接続されている。有利にはこれらの空間は、並んで相互に接続されている。有利には圧力媒体はこれらの空間を順々に貫流する。
【００１２】
有利な形態では、ハウジングは３つまたは５つの空間に分割され、ここで第１の空間はクランク駆動部を包囲し、かつクランク駆動部をピストン−シリンダユニットと接続するための貫通部が設けられている。ハウジングの全ての貫通部は、当業者に既知の密閉機構によって、周囲から密閉されている。特に、このために、カバー、シールリングを備えたシール溝、接着シールおよびシールされたねじが使用可能である。２つのさらなる空間はそれぞれ、各電動機の外側の空間である。これらの空間内に特に、各磁石、コイルおよびパワーエレクトロニクスが収容されている。これらの空間は特に、冷却、電流供給ならびに開ループ制御技術および閉ループ制御技術のために貫通部を有している。さらなる２つの空間は、有利な構成において、２つの電動機の各内部空間を形成する。このような空間の内部には、各モーターの力伝達のために各軸の接続部が存在している。これらの空間は、特別なシーリングを備える、付加的なカバーキャップによって、大気から密閉されており、かつ軸の貫通を可能にする。しかし電動機は、別の有利な構成では、１つの空間内にのみ配置されていてよい。ハウジングは特に次のように構成されている。すなわち、０．０１ｍｂａｒ〜５０ｍｂａｒ、特に２．５ｍｂａｒの過圧が印加可能であるように構成されている。これは、流体エネルギー装置の周囲と比較した、ハウジングの内部における、０．０１ｍｂａｒ〜５０ｍｂａｒ、特に２．５ｍｂａｒの過圧において、圧力媒体が流出しないように、全ての貫通部を密閉するシーリングが構成されていることを意味している。周囲からハウジングが密閉されている有利な構成では、一定の貫流がない場合にも、過圧が実現される。
【００１３】
有利には、ハウジングは、入口および出口を介して圧力保持システムと接続されている。有利には、入口は第１の空間に配置されており、出口は最後の、特に第５の空間に設置されている。したがって、これらの空間は、全ての中空空間が相互に接続されており、かつ圧力媒体が貫流することができるように、孔を介して相互に接続されている。有利には、圧力媒体の過圧は圧力保持システムによって維持される。圧力保持システムは、有利にはコンプレッサーステーションまたはシリンダーラックである。圧力媒体が、僅かな漏出を通じて、ハウジングから周囲に流出し、これによって、圧力媒体の損失が生じる場合には、圧力保持システムによって、新たな圧力媒体が送り込まれる。このようにして、有利には、圧力媒体を、継続的にハウジングを通って流す必要がなくなり、有利には、ハウジング内の過圧が事前に設定された値を下回る場合のみ、新たな圧力媒体が加えられる。
【００１４】
圧力媒体として、有利には空気、窒素または他の不活性ガスが使用される。圧力媒体は、有利には、０．０１ｍｂａｒ〜５０ｍｂａｒ、特に２．５ｍｂａｒの過圧でハウジング内を貫流する。過圧によって、反応性の混合気が外部からハウジング内に流入しなくなり、潜在的な発火源である電動機が保護され、このようにして流体エネルギー装置を、防爆ゾーンにおいて設置および使用することが可能になる。
【００１５】
有利には、圧力保持システム内、かつ／またはハウジング内に、圧力媒体の圧力を監視するセンサを設けることができる。事前に設定されている値からの圧力の偏差、例えば圧力損失が検出される場合には、これは漏出を示唆する。センサは有利には、電動機と接続されているので、これらのセンサはオフされ、無電流状態に切り替えられる。これによって電動機は、発火源ではなくなる。さらに、ハウジング内の漏出を突き止めるために、圧力媒体内で圧送されるべき媒体の痕跡を検出するセンサを設けることができる。このようにして、流体エネルギー装置によって圧送されるべき媒体の僅かな漏出が既に検出される。さらに、多くの場合に可燃性である、圧送されるべき媒体は、圧力媒体によって薄められ、システムから排出される。このようにして爆発の危険性が低減される。流体エネルギー装置は、事前に設定された境界値を上回ると、停止されてよい。
【００１６】
流体エネルギー装置および／または圧力保持システムの静止状態の後に、このシステムは有利には、所定の時間、特に２〜５分の間、流れが増大された圧力媒体によって洗浄され、これによって、場合によって生じている汚染物質が除去される。
【００１７】
有利には、流体エネルギー装置は、水素体積流量を生成するために、かつ水素を圧縮するために使用される。流体エネルギー装置は有利には、車両に液体水素または気体水素を補給するために使用される。水素はここでは、５０ｂａｒ〜１０００ｂａｒ、特に３５０ｂａｒ〜５００ｂａｒまたは７００ｂａｒまたは９００ｂａｒのシステム圧へ圧縮される。有利には、水素の圧送量は、電動機の周波数を介して調整され、したがってこれは、０ｋｇ／ｈ〜２５０ｋｇ／ｈ、特に３０ｋｇ／ｈ〜２００ｋｇ／ｈにある。
【００１８】
以降では本発明を、図１に概略的に示されている実施例に基づいて、より詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明による装置の概略的な構成を示す。
【００２０】
図１は、本発明による装置の概略的な構成を示している。示されているのは、防爆構造を有する高圧ポンプのハウジングである。ポンプは、低温流体、特に水素に適している。ハウジングは、空間１〜５に分割されている。ここでこれらの空間は、相互に接続されている。空間１は、クランク駆動部Ａを包囲している。空間２および空間４はそれぞれ、各電動機Ｍの外側の空間である。これらの空間には特に、各磁石、コイルおよびパワーエレクトロニクスが収容されている。空間３および空間５は、それぞれ、２つの電動機Ｍの内部空間を形成している。これらの空間の内部には、各モーターの力伝達のための各軸の接続部が配置されている。これらの空間は特別なシーリングを備える付加的なカバーキャップＷによって、大気から密閉されている。各空間内の全ての中空空間は、孔を通じて、流体技術的にアクセス可能である。これによって、圧力媒体はハウジング内の全ての中空空間に達することができ、洗浄を行うことができる。この実施例では空間１で行われる、圧力媒体Ｅの供給によって、圧力媒体がハウジング内に入れられる。圧力媒体は順々に、全ての空間１〜５を貫流し、空間５において、出口Ｄを介して再び圧力保持システムに戻される。
【００２１】
圧力保持システムは、圧力媒体が、２．５ｍｂａｒの圧力に保持されるように構成されている。僅かな漏出を通じて、圧力媒体が周囲に流出する場合には、圧力保持システム内に圧力媒体が供給される。圧力保持システム内で圧力降下が検出されると、または圧力媒体内の過度に高い水素割合が検出されると、緊急停止が実行される。モーターは停止され、無電流状態に切り替えられる。これによって、モーターは発火源ではなくなる。相応するメンテナンス作業の後、設備は再び始動される。停止状態後の圧力保持システムの運転開始時もしくは始動時には、圧力保持システムは、特定の時間、特に２分の間、質量流量が増大された圧力媒体によって洗浄される。停止状態の間に、水素がポンプまたは管路からハウジング内に流出している場合、このような洗浄によって、水素が除去される、または少なくとも薄められる。
【図１】
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【国際調査報告】
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