(57)【要約】  本発明は、流体エネルギ機械、および流体エネルギ機械を用いて流体・体積流を発生させるかつ流体を圧縮する方法に関する。さらに本発明は、本発明に係る、流体・体積流を発生させるかつ流体を圧縮する方法を使用して流体を車両に充填する方法、および車両に充填を行うための、本発明に係る流体エネルギ機械の使用に関する。流体エネルギ機械は、クランク伝動装置（２０）と、クランク伝動装置（２０）と機械的に結合された駆動装置（１０）であって、トルクがクランク伝動装置（２０）に導入可能である、駆動装置（１０）と、ピストン・シリンダ・ユニット（３０）であって、ピストン（３２）が機械的にクランク伝動装置（２０）と結合されている、ピストン・シリンダ・ユニット（３０）と、を備える。駆動装置（１０）は、２つの電動モータ（５０，６０）を有し、電動モータ（５０，６０）の各々の出力部材（５１，６１）は、クランク伝動装置（２０）と機械的に結合されている。
2018502253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体エネルギ機械であって、
クランク伝動装置（２０）と、
前記クランク伝動装置（２０）と機械的に結合された駆動装置（１０）であって、トルクが前記クランク伝動装置（２０）に導入可能である、駆動装置（１０）と、
ピストン・シリンダ・ユニット（３０）であって、ピストン（３２）が機械的に前記クランク伝動装置（２０）と結合されている、ピストン・シリンダ・ユニット（３０）と、
を備える、流体エネルギ機械において、
前記駆動装置（１０）は、２つの電動モータ（５０，６０）を有し、該電動モータ（５０，６０）の各々の出力部材（５１，６１）は、前記クランク伝動装置（２０）と機械的に結合されており、前記ピストン・シリンダ・ユニット（３０）は、単一のピストン（３２）と単一のシリンダ（３１）とを有する
ことを特徴とする、流体エネルギ機械。
【請求項２】
当該流体エネルギ機械は、流体・体積流を発生させるためかつ流体（４０）を圧縮するための低温ポンプである、請求項１記載の流体エネルギ機械。
【請求項３】
当該流体エネルギ機械は、流体（４０）を５０ｂａｒ〜１０００ｂａｒ、特に３５０ｂａｒ〜５００ｂａｒまたは７００ｂａｒの圧力へと圧縮することができるように構成されている、請求項１または２記載の流体エネルギ機械。
【請求項４】
前記クランク伝動装置（２０）に対する前記電動モータ（５０，６０）の機械的な連結は、前記クランク伝動装置（２０）のクランク（２１）で実現されていて、モータトルクが前記クランク（２１）に導入されるようになっている、請求項１から３までのいずれか１項記載の流体エネルギ機械。
【請求項５】
少なくとも１つの電動モータ（５０，６０）の出力部材（５１，６１）は、シャフト（５２，６２）により、直接に前記クランク伝動装置（２０）の前記クランク（２１）と連結されている、請求項４記載の流体エネルギ機械。
【請求項６】
少なくとも１つの電動モータ（５０，６０）の出力部材（５１，６１）と前記クランク伝動装置（２０）の前記クランク（２１）との間に、前記電動モータ（５０．６０）により生成されるトルクを増加または減少して伝達するための伝動装置（７０，８０）、特に円筒歯車伝動装置が配置されている、請求項４記載の流体エネルギ機械。
【請求項７】
前記クランク伝動装置（２０）は、連接棒（２２）を有し、前記ピストン（３２）は、前記連接棒（２２）と機械的に結合されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の流体エネルギ機械。
【請求項８】
前記シャフトは、玉軸受により軸支されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の流体エネルギ機械。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項記載の流体エネルギ機械を使用して水素・体積流を発生させるかつ水素（４０）を圧縮する方法であって、搬送されるべきかつ圧縮されるべき水素を液体の状態で用意する、方法において、
水素（４０）を前記ピストン・シリンダ・ユニット（３０）に供給し、前記流体エネルギ機械の前記電動モータ（５０，６０）を運転して、前記ピストン・シリンダ・ユニット（３０）の前記ピストン（３２）を摺動させて、水素・体積流を発生させかつ水素（４０）を圧縮することを特徴とする、水素・体積流を発生させるかつ水素を圧縮する方法。
【請求項１０】
液体または気体の水素を車両に充填するために、圧縮された水素を用いる、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記流体エネルギ機械は、２段式のピストン機械として構成されており、第１段で水素の予備圧縮を行い、第２段でシステム圧への圧縮を行う、請求項９または１０記載の方法。
【請求項１２】
予備圧縮のときに圧力を４ｂａｒ〜１２ｂａｒだけ高める、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記システム圧は、５０ｂａｒ〜１０００ｂａｒ、特に３５０ｂａｒ〜５００ｂａｒまたは７００ｂａｒである、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記流体エネルギ機械の水素の圧送量を、前記電動モータの周波数を介して調整し、前記圧送量は、０ｋｇ／ｈ〜２５０ｋｇ／ｈ、特に３０ｋｇ／ｈ〜２００ｋｇ／ｈである、請求項９から１３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、流体エネルギ機械、および本発明に係る流体エネルギ機械を用いて流体・体積流を発生させるかつ流体を圧縮する方法に関する。さらに本発明は、本発明に係る、流体・体積流を発生させるかつ流体を圧縮する方法を用いて流体を車両に充填する方法、および車両に充填を行うための、本発明に係る流体エネルギ機械の使用に関する。充填に際して液体で提供することができる水素をたとえば自動車などの装置に充填するために、いわゆるクライオポンプが知られており、クライオポンプは、低温領域で流体を圧送するのに適している。
【０００２】
独国特許出願公開第１０２００７０３５６１６号明細書（DE 102007035616 A1）において、特に極低温媒体に用いられるように構成されたポンプが知られている。このポンプは、たとえば水素などの極めて低温の流体を圧送するかつ／または圧縮するように調えられたピストン・シリンダ・ユニットを有する。
【０００３】
この種のポンプは、通常は、液圧式の駆動装置により運転される。別の従来慣用の低温・ポンプ装置は、液圧式の駆動装置の代わりに回転駆動装置を有し、この場合、特に、同様にピストン・シリンダ・ユニットのピストンに連結されたクランク伝動装置に対する電気モータの接続が実証されている。
【０００４】
低温・ポンプ装置に用いられる液圧式の駆動装置は、通常は、追加ユニットおよび冷却装置を格納するための比較的大きな構造容積と、液圧流体のためのリザーバとを前提としている。さらに、液圧式の駆動装置を有するポンプ装置は、設置および保守や、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関してもコストが比較的高い。通常は、そのためにリニア距離・測定・システムを配置しなければならない。発生させら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、ポンプ装置において、ピストンの、正弦波に相似の加速経過を調整しなければならない。液圧式の駆動装置を使用すると、相応の加速経過の実現は、必要な制御およびそのために設置されるべき制御技術に関するコストの増加を伴う。さらに、液圧式の駆動装置では、通常は、約２Ｈｚの周波数を超えるピストン・シリンダ・ユニットの行程運動を実現することはできない。
【０００５】
クランク伝動装置と組み合わされた電動モータ式の駆動装置を有する態様では、市販されている電動モータの周波数に依存する最大の公称トルクが、達成可能な通流量だけではなく達成可能な圧送圧に関するポンプ装置の最大の圧送能力を制限する。高い通流量および高い圧送圧を得ようとすると、行程運動の相応の周波数や力またはトルクを電動モータからクランク伝動装置に及ぼさなければならない。つまり、相応の反力が、電動モータに、またはその支持部に、かつ／または電動モータとクランク伝動装置との間の、トルクを伝達する機械要素の支持部に作用する。支持箇所の安定性は、支持箇所が相応の摩耗にさらされるべきではないとき、そのように適合していなければならない。この摩耗は、特に、電動モータの出力部材がクランク伝動装置の回転軸線に対して実質的に同軸に配置されていて、このクランク伝動装置と固く結合されているときに表れる。
【０００６】
したがって、本発明の根底を成す課題は、簡単で、低コストで、確実にかつわずかな保守で、たとえば気体の水素などの流体が圧縮可能であるとともにここでは気体または液体の水素であってよい流体が圧送可能である、流体エネルギ機械、および流体・体積流を発生させるかつ／または流体を圧縮する方法を提供することである。本発明の根底を成す課題の別の側面は、流体を車両に充填する方法および本発明に係る流体エネルギ機械の使用を提供することである。
【０００７】
この課題を解決するために、請求項１に係る流体エネルギ機械、請求項９に係る、流体・体積流を発生させるかつ／または流体を圧縮する方法が提供される。本発明に係る流体エネルギ機械の好適な態様は、従属請求項２〜８に記述されている。
【０００８】
本発明に係る流体エネルギ機械は、クランク伝動装置と、クランク伝動装置と機械的に結合された駆動装置であって、トルクがクランク伝動装置に導入可能である、駆動装置とを備える。さらに流体エネルギ機械は、ピストン・シリンダ・ユニットであって、ピストンが機械的にクランク伝動装置と結合されている、ピストン・シリンダ・ユニットを備える。本発明によれば、駆動装置は、２つの電動モータを有し、電動モータの各々の出力部材は、クランク伝動装置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、単一のピストンと単一のシリンダとを有する。この場合、以下略してモータとも称される電動モータは、回転モータであり、この場合、３つ以上のモータの配置も排除すべきではない。したがって、駆動装置は、少なくとも２つのモータを有する。これらのモータまたは駆動装置のトルクは、クランク伝動装置に、特にそのクランクに及ぼされ、これによりクランク伝動装置が作動させられ、ピストン・シリンダ・ユニットのピストンの摺動が実現される。この場合、モータのその都度のトルクは、その出力部材に、たとえばそのシャフトジャーナルに取り出される。クランク伝動装置とのピストンの機械的な結合は、ピストンが機械的にクランク伝動装置の連接棒または連結体と結合されていることにより実現されている。
【０００９】
クランク伝動装置は、好適には単一のクランクとこれに接続された単一の連結体または連接棒を有し、この場合、本発明に即して配置された少なくとも２つのモータが、その都度のトルクを、この１つのクランクに及ぼす。
【００１０】
択一的な態様では、平行に配置された２つのクランクおよび連結体が存在するので、両方のモータの各々がそれぞれ１つのクランク伝動装置に作用する。これらのクランク伝動装置は、ピストンに接続されている。
【００１１】
本発明に係る流体エネルギ機械は、流体・体積流を発生させるかつ流体を圧縮するための低温ポンプである。このポンプまたはコンプレッサにより液体または気体の水素の体積流を発生させるかつ気体の水素の圧縮を実現することができる。本発明に係る態様では、流体エネルギ機械は、流体を５０ｂａｒ〜１０００ｂａｒ、特に３５０ｂａｒ〜５００ｂａｒまたは７００ｂａｒの圧力へと圧縮することができるように調整されている。
【００１２】
好適には、本発明に即して配置された全てのモータは、電動モータであるが、しかしこの場合、液圧モータの使用も排除すべきではない。
【００１３】
クランク伝動装置に対するモータの機械的な連結は、クランク伝動装置のクランクで実現されており、これによりその都度のモータトルクがクランクに導入される。このクランクは、偏心ディスクとして構成されてもよい。クランクに対する両方のモータの機械的な接続は、特にクランク伝動装置のクランクの運動平面の両側で、たとえば連結体または連接棒と結合されているそれぞれ１つのクランクを形成する、平行に配置された２つの偏心ディスクにより実現されてよい。この場合、トルクを伝達するために、これらのモータとクランク伝動装置との間のシャフトは、それぞれ同軸に配置されている。
【００１４】
本発明に係る流体エネルギ機械の利点は、流体エネルギ機械が、１分あたり１〜６００回転（ｒｐｍ）のシャフトのゆっくりとした回転数にもかかわらず作動し、それにもかかわらず必要な高い圧力を得ることができることにある。ゆっくりとした回転数にもかかわらず、電動モータを介して、１０００Ｎｍ〜４０００Ｎｍの範囲の高いトルクを得ることができる。これによりピストンロッドに及ぼされる力は、約２０ｋＮ〜１５ｋＮである。
【００１５】
本発明に係る流体エネルギ機械の第１の態様では、少なくとも１つの電動モータの出力部材は、シャフトにより、直接にクランク伝動装置のクランクと連結されている。つまり、たとえばモータのモータジャーナルは、直接にクランクと機械的に結合されているシャフトに接続されている。
【００１６】
本発明に係る流体エネルギ機械の別の態様によれば、少なくとも１つの電動モータの出力部材とクランク伝動装置のクランクとの間に、電動モータにより形成されるトルクを増加または減少して伝達するための伝動装置、特に円筒歯車伝動装置が配置されている。この態様では、対称の配置が有利であるので、両方のモータに、それぞれ１つの伝動装置が接続されており、これも同様にクランク伝動装置と結合されている。好適には、クランク伝動装置は、２つの駆動シャフトを有するので、モータと駆動シャフトとの間に伝動装置がそれぞれ配置されている。この場合、モータのうちの一方が、直接にクランク伝動装置と機械的に結合されていて、他方のまたは別の１つのモータが、間接に、つまり伝動装置を介してクランク伝動装置と結合されている態様を本発明から排除すべきではない。
【００１７】
好適には、クランク伝動装置は、連接棒を有するべきであり、連接棒は、ピストン・シリンダ・ユニットのピストンと機械的に、たとえばジョイントを介して連結されている。連結体とも称されるこの連接棒は、好適には回転枢着式にピストンに、また回転枢着式にクランクにも接続されている。
【００１８】
クランク伝動装置に対する２つのモータの接続により、対称の荷重および両方のモータまたはその駆動シャフトへの反力または対抗モーメントの分配が達成され、これにより、総じて駆動装置またはクランク伝動装置における荷重および／または摩耗を低減することができる。
【００１９】
軸受を相応により小さく寸法設定することができるか、またはシャフトをより小さな直径で構成することができる。流体エネルギ機械の好適な態様では、シャフトは、玉軸受により軸支されている。これは、とりわけ小さな回転数により可能となる。流体エネルギ機械全体は、比較的小さな所要容積を有する。さらに、比較的小さな公称トルクまたは小さな回転数を有する従来慣用の市販されている電動モータを、たとえば水素タンクステーションにおいて必要となるより高い圧力比および通流量を実現するために使用することもできる。
【００２０】
本発明に係る流体エネルギ機械を使用して水素・体積流を発生させるかつ水素を圧縮する方法では、搬送されるべきかつ圧縮されるべき水素を液体の状態で用意し、水素をピストン・シリンダ・ユニットに供給し、流体エネルギ機械の電動モータを運転して、ピストン・シリンダ・ユニットのピストンを摺動させて、水素・体積流を発生させかつ水素を圧縮する。
【００２１】
本発明に係る方法は、好適には、液体または気体の水素を車両に充填するために用いられる。この場合、液体の水素が、充填されるべき車両に圧送され、この場合、体積流が発生させられるだけであるが、また気体の水素も圧送され、この場合、この方法の態様では、体積流の発生と同時に気体の圧縮を行うこともできる。
【００２２】
好適には、流体エネルギ機械は、２段式のピストン機械として構成されており、第１段で、水素の予備圧縮を行い、第２段で、システム圧への圧縮を行う。この場合、予備圧縮に際して圧力を４ｂａｒ〜１２ｂａｒだけ高めることが有利である。システム圧は、好適には５０ｂａｒ〜１０００ｂａｒであり、特に３５０ｂａｒ〜５００ｂａｒである。２つの段は、ピストンが上方へ、つまり駆動装置の方向へ移動されると予備圧縮または予備充填が行われるように構成されている。ピストンの下方へ移動すると、つまりピストンが流出装置の方向へ移動すると、第１段の予備圧を起点としてシステム圧への増圧が行われる。システム圧は、最大のポンプ初期圧により制限されている。
【００２３】
本発明に係る、記述の流体エネルギ機械を用いる方法では、流体エネルギ機械の水素の圧送量を、電動モータの周波数を介して調整し、圧送量は、０ｋｇ／ｈ〜２５０ｋｇ／ｈ、特に３０ｋｇ／ｈ〜２００ｋｇ／ｈである。
【００２４】
以下、本発明を、添付の図面に示された実施の態様に基づいて詳説する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る流体エネルギ機械の第１の態様を示す。
【図２】本発明に係る流体エネルギ機械の第２の態様を示す。
【００２６】
図１および図２に示された態様は、図１による態様では、モータが直接にクランク伝動装置と結合されていて、図２による態様では、モータとクランク伝動装置との間に伝動装置が設けられている点で異なっている。
【００２７】
両方の態様に存在する特徴を記述するために、まず両方の図面について説明する。
【００２８】
両方の態様は、駆動装置１０を含む。駆動装置１０は、図示の態様では、第１のモータ５０と第２のモータ６０とにより実現されている。両方のモータは、電動モータとして構成されている。両方のモータ５０，６０に、モータ回転数を調整するために回転数発信器５３，６３がそれぞれ接続されている。流体エネルギ機械の両方の態様では、クランク伝動装置２０が設けられており、クランク伝動装置２０は、クランク２１（ここでは２つの偏心ディスクにより表されている）と、クランク２１またはクランク２１の２つの偏心ディスクと第１のジョイント２３を介して連結された連接棒２２または連結体とを有する。さらに、両方の態様では、ピストン・シリンダ・ユニット３０が設けられており、ピストン・シリンダ・ユニット３０は、シリンダ３１内に、そこで摺動可能なピストン３２を有する。クランク伝動装置２０の連接棒２２または連結体は、第２のジョイント２４を介してピストン・シリンダ・ユニット３０のピストン３２に接続されている。クランク２１が回転すると、連接棒２２の回転と並進との典型的な組合わせ運動が行われ、この組合わせ運動は、ピストンロッドが両側でここでは図示されていない軸受（軸受はそれぞれ１つの滑り対偶を形成する）により軸支されているピストン３２のせん断力を吸収し、シリンダ３１内で、ピストン・行程運動の形のピストン３２の強制動作をもたらす。
【００２９】
ピストン・シリンダ・ユニット３０のシリンダ３１に、シリンダ３１内に流体４０を供給するための流入装置３３と、シリンダ３１内に存在し、場合により圧縮された流体４０を排出するための流出装置３４とが設けられている。第１のモータ５０は、第１の出力部材５１を有し、第２のモータ６０は、第２の出力部材６１を有する。これらの出力部材５１，６１は、たとえばモータ５０，６０のシャフトジャーナルである。各々の出力部材５１，６１は、シャフトと結合されているので、第１の出力部材５１は、第１のシャフト５２に接続されていて、第２の出力部材６１は、第２のシャフト６２に接続されている。
【００３０】
図１に示された態様では、第１のシャフト５２だけではなく第２のシャフト６２も直接にクランク伝動装置２０のクランク２１に接続されているので、各々のモータ５０，６０により生成されるトルクが、出力部材５１，６１を介して、これに配置されたシャフト５２，６２に及ぼされ、そのシャフト５２，６２から、クランク伝動装置２０のクランク２１に及ぼされ、その結果、クランク伝動装置２０により、ピストン３２の記述の行程運動を実施することができる。
【００３１】
図２に示された態様では、第１のシャフト５２は、第１の伝動装置７０に接続されており、第１の伝動装置７０は、第１のシャフト５２に第１の駆動円筒歯車７１を有し、第１の駆動円筒歯車７１は、第１の被駆動円筒歯車７２と噛み合い、第１の被駆動円筒歯車７２は、第１の出力シャフト７３に着座しており、第１の出力シャフト７３は、クランク伝動装置２０のクランク２１に固く接続されている。
【００３２】
これに対応して、第２のシャフト６２に第２の駆動円筒歯車８１が着座しており、第２の駆動円筒歯車８１は、第２の被駆動円筒歯車８２と噛み合い、第２の被駆動円筒歯車８２は、同様に第２の出力シャフト８３に着座しており、第２の出力シャフト８３は、クランク伝動装置２０のクランク２１に固く接続されている。これにより、モータ５０，６０のトルクや回転数を増加または減少して伝達することができ、これによりクランク伝動装置２０により生成されるべきトルクが高められ、またピストン３２の運動の周波数も高められる。
【００３３】
本発明は、ここでは図２に示された、伝動装置部分が対称に配置された態様に制限されるのではなく、これに対して択一的に、モータ５０，６０とクランク伝動装置２０との間に様々な伝動装置を配置してよく、かつ場合により各々のモータ５０，６０とクランク伝動装置２０との間にクラッチを配置してもよく、これにより場合によっては駆動系統が連結されるかまたは遮断され、これにより要求通りにトルクが提供される。
【符号の説明】
【００３４】
１０  駆動装置
２０  クランク伝動装置
２１  クランク
２２  連接棒
２３  第１のジョイント
２４  第２のジョイント
３０  ピストン・シリンダ・ユニット
３１  シリンダ
３２  ピストン
３３  流入装置
３４  流出装置
４０  流体
５０  第１のモータ
５１  第１の出力部材
５２  第１のシャフト
５３  第１の回転数発信器
６０  第２のモータ
６１  第２の出力部材
６２  第２のシャフト
６３  第２の回転数発信器
７０  第１の伝動装置
７１  第１の駆動円筒歯車
７２  第１の被駆動円筒歯車
７３  第１の出力シャフト
８０  第２の伝動装置
８１  第２の駆動円筒歯車
８２  第２の被駆動円筒歯車
８３  第２の出力シャフト
【図１】
2018502253.tif 000003
【図２】
2018502253.tif 000004
【国際調査報告】
2018502253.tif 000005
2018502253.tif 000006
2018502253.tif 000007
2018502253.tif 000008